计算机在材料科学的应用.doc

幻灯片1计算机在材料科学的应用Computer in MSE长安大学 材料科学与工程学院 college of Materials Science and Engineering, changan university幻灯片2目的和意义 计算机在材料科学中的应用是材料科学与工程专业一门同计算机应用有密切联系的专业基础课。本课程的教学目的是在加强学生对基础知识、基本方法（数学知识）掌握的基础上，结合材料科学研究领域的新方法、新技术中计算机的应用，注重培养学生利用计算机解决实际问题的能力，培养和引导学生的创新意识。幻灯片3掌握以下几方面内容1.材料科学文献检索实践 掌握使用计算机应用局域网和国际互联网进行材料科学方面的文献检索 ，并基本掌握计算机网络知识与文献检索基本技巧。2.材料物理场数值计算 用有限差分法或有限元法对材料科学与工程温度场、应力场或浓度场分析，进行数值模拟计算。幻灯片43材料试验数据计算机分析 采用数据处理软件对材料试验数据分析处理，利用最小二乘法原理或其他原理求解函数以及用正交实验方法设计材料科学与工程中实际问题。4. 利用计算机超强计算功能对实验数据采集、保存、处理、分析及绘图等工作 学会用origin， Photoshop，微软自带画图等工具软件进行绘图工作5. 计算机用于材料加工、工艺分析及实验检测等过程中6. 计算机用于材料设计 幻灯片5绪 论l 材料科学综述l 计算机用于新材料的设计l 材料科学研究中的计算机模拟l 材料工艺过程的优化及自动控制l 计算机用于数据图像处理幻灯片6材料科学综述幻灯片7综 述材料科学与工程研究材料组成，结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。研究的内容为材料的组织、结构、杂质、缺陷与性能之间的关系，材料的形成机理和制备方法、材料在加工、使用过程中变化和失效机理。材料科学多学科交叉的新兴科学。与固体物理学、电子学、光学、声学、固体化学、量子化学、有机化学、数学与计算机技术等有着非常不可分割的联系。材料科学又是一个发展尚不完善的学科，研究很大程度还依赖于经验的总结。钱学森曾指出：现在材料科学已经发展到一旦有了设计就能把材料造出来，也就是“材料设计”。幻灯片8计算机用于新材料的设计幻灯片9材料设计原理材料的结构和性能关系计算机模拟、人工智能、知识库和数据库技术各种理论和实验资料相互联系运用归纳演绎相结合对新材料研究提出决策和方法急冷技术分子束外延气相沉积微重力制备离子注入幻灯片10急冷技术将熔化的金属溶液直接放入水中进行快速冷却，使得金属保持金属溶液的晶体结构，即常说的非晶体。分子束外延分子束外延的英文缩写为，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。 幻灯片11气相沉积 物理气相沉积是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气象沉积方法有真空镀，真空溅射和离子镀三种，目前应用较广的是离子镀化学气相沉积指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。在超大规模集成电路中很多薄膜都是采用CVD方法制备。幻灯片12离子注入 离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。幻灯片13微重力制备在重力环境中，装有油、水和沙粒的试管中，沙粒总是下沉，而油滴总是上浮。在微重力环境中，沙粒既不下沉，油滴也不上浮，三者可以实现均匀混合。再如燃烧现象，在微重力环境下，点燃的蜡烛马上就会熄灭，不会出现持续燃烧现象等。 在微重力环境中，很多的物理概念，包括流体中的对流与沉淀效应、浸润现象、燃烧现象、热交换规律、摩擦及电泳等物理过程，都必须重建新的物理模型，总结新的规律，创建新的定理或定律。 利用空间技术已经制备出高熔点金属，制造出了具有特殊性能的各种合金、半导体晶体、复合材料和光学玻璃等新材料。 幻灯片14材料科学研究中计算机模拟定义：利用计算机对真实系统进行模拟“实验”，提出实验结果、指导新材料研究，是材料设计的有效方法。计算机模拟特点：比真实实验进行的速度快；节省成本；进行一些现在条件无法进行的实验。（金刚石膜）计算机模拟根据模拟对象尺度进行划分：1.电子层次（电子结构）2.原子分子层次（结构、力学热学性能）3.微观结构层次（晶体生长、烧结、位错、极化和织构）4.宏观层次（铸造、焊接、锻造）幻灯片15幻灯片16空间尺度大于1um的材料对象，模拟时不再考虑个别原子分子行为。如研究材料的弹性、断裂力学、扩散、热传输。连续介质模型计算机模拟模型材料的尺度在纳米尺度和原子尺度，原子及其外层电子的行为直接影响到材料的宏观性能。非连续介质模型幻灯片17材料工艺过程的优化及自动控制微型计算机和可编程控制器在材料加工中的应用充分体现了自动控制的优势。在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度，而且能够改善产品质量和精度，提高产量。例子：计算机模拟和对工艺过程的模拟可以实现对渗碳、渗氮全过程进行控制幻灯片18计算机用于数据图像处理计算机可以储存大量的实验数据并对其进行分析并以图像形式直观的表达出来。15.01732915.0532315.08329215.11629115.14931215.18233315.21527215.24830315.28134615.31433715.34735688.979589.0039589.0369589.0699589.1029789.13510189.16811189.20111489.234106总计2272个数据幻灯片19第一章 材料科学研究中的数学模型数学的应用已不再局限于传统的物理领域，而逐步深入到人类活动的各个方面。生物、医学、社会、经济，各学科、各行业都涌现现出大量的实际课题，急待人们去研究、去解决。各门科学技术与数学结合越来越紧密，然而要实现数学与科学技术结合必须掌握数学建模，其起到中介桥梁的作用。数学建模是在20世纪60和70年代进入一些西方国家大学的，我国的几所大学也在80年代初将数学建模引入课堂。 幻灯片201.1 数学建模基础 数学建模是一种数学的思考方法，是运用数学的语言和方法，通过抽象、简化建立能近似刻画并“解决”实际问题的一种强有力的数学手段。 幻灯片211.1 数学建模基础幻灯片221.1 数学建模基础分类标准具体类别对某个实际问题认识过程解释性模型、描述性模型对某个实际问题了解的深入程度白箱模型、灰箱模型、黑箱模型模型中特征连续型模型、离散型模型或确定性模型、随机型模型等建模中所用的数学方法初等模型、微分方程模型、差分方程模型、优化模型、图论模型、规划论模型等应用领域分为人口模型、生 态系统模型 、交通流模型、经 济模型、 基因模型等幻灯片231.1 数学建模基础数学建模的作用数学建模的根本作用在于将客观原型进行抽象和简化，便于人们采用定量的方法分析和解决问题。一门学科精密化和科学化的重要表现之一便是能够采用严密的数学语言来分析和描述。数 学计算机数学建模三者结合，可以解决许多科学问题。在材料工程领域，实验是非常重要的手段，但是当今学者普遍认为数学建模是同等重要的，甚至是一个更好的方法。幻灯片241.2 数学建模的一般步骤l 1.建模准备 了解问题的实际背景，明确建模目的，收集掌握必要的数据资料。l 2.建模假设 在明确建模目的，掌握必要资料的基础上，通过对资料的分析计 算， 找出起主要作用的因素，经必要的精炼、简化，提出若干符合客观实际的假设。l 3.构造模型 在所作假设的基础上，利用适当的数学工具去刻划各变量之间的关系，建立相应的数学结构 即建立数学模型。 l 4.模型求解。 l 5.模型的分析、检验及应用。l 实体信息(数据)假设建模求解验证应用幻灯片251.2 数学建模的一般原则假设合理性原则有： 1.目的性原则 从原型中抽象出与建模目的有关的因素，简化那些与目的无关或者关系不大的因素 2.简明性原则 所给出的假设条件要简单、准确，有利于构建模型 3.真实性原则 假设要科学，简化带来的误差应该满足实际问题所能允许的误差范围。 4.全面性原则 对事物原型本身做出假设的同时，还要给出模型所处的环境条件。幻灯片26马尔萨斯人口模型马尔萨斯于1798年提出了著名的人口指数增长模型。模型的基本假设：人口的增长率是常数，或者说，单位时间内人口的增长量与当时的人口数成正比。初始条件：t=0时，N(0)=0。经过计算得出结论：人口按几何级数增加 幻灯片27数学模型举例-马尔萨斯人口模型此模型曾用来预测世界人口的数量，在1961年以前是比较准确。预测以后世界人口增长率就不对了，问题出在哪里？1、没有考虑社会、科技和自然资源对人口增长率的影响。2、没有考虑到战争、疾病和自然灾害等对人口增长率的影响3、中国的计划生育政策显著影响幻灯片28改进人口模型建模：联想到向气球中充气，充气越多，气球容纳多余气体能力降低。如同人口愈多，自然资源容纳人口的能力也会降低。因此增长率是一个和人口数量成反比的函数R=a-bx幻灯片29改进人口模型幻灯片30改进人口模型幻灯片31改进人口模型幻灯片32数学模型举例-格尼斯堡七桥问题问题提出：如何才能走过这七座桥，而且每个桥只走一次再回到原地。加里宁格勒的普莱格尔河欧拉对模型进行简化结论：提出一笔画定理1.图形是封闭联通的。2.图形中的奇点数只能是0或者2幻灯片33数学模型举例 -双层玻璃的功效在寒冷的北方， 许多住房的 玻璃窗都是双层玻璃的，现在我们来建立一个简单 的数学模型，研究一下双层玻璃到底有多 大的功效。比较两座其他条件完全相同的房屋，它们 的差异仅仅在窗户不同。 不妨可以提出以下 假设：1、设室内热量的流失是热传导引起的，不存在户内外的空气对流。2、室内温 度T1与户外温 度T2均为常数。3、玻璃是均匀的，热传导系数为常数。幻灯片34设玻璃的热传导系数 为k1，空气的热传导系数 为k2，单位时间通过单位面积由温度高的一侧流向温度低的一侧的热量为 ddl室外T2室内T1TaTb由热传导公式 =kT/d 解得：幻灯片3501234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91hf(h)dd室外T2室内T1类似有 一般故记h=l/d并令f(h)= 此函数的图形为考虑到美观和使用上 的方便，h不必取得过大，例如，可 取h=3，即l=3d，此时房屋热量的损失不超过单层玻璃窗时的 3% 。 幻灯片361.3 常用的数学建模方法 理论分析方法理论分析方法是指应用自然科学中的定理和定律，对被研究的有关因素进行分析、演绎和归纳，从而建立系统的数学模型。常用于机理、工艺比较成熟的场合，如气体渗碳。气体渗碳通过平衡理论找出控制参量与炉气碳势之间的理论关系C+CO2=2CO根据上式建立模型，利用实验数据进行回归，得到控制碳势的数学模型幻灯片371.3 常用的数学建模方法 类 比 方 法若两个不同的系统，可以用同一形式的数学模型来描述，则此两个系统就可相互类比。聚合物的结晶过程包括成核和晶体生长两个阶段，与下雨时雨滴落在水面上生成圆形水波并向外扩展的情形类似，可以通过后者模型来推导聚合物结晶时结晶度与时间关系。幻灯片381.3 常用的数学建模方法 数据分析方法曲线拟合最小二乘法利用线性回归拟合曲线的一般步骤（一）绘制散点图，选择合适的曲线类型 一般根据资料性质结合专业知识便可确定资料的曲线类型，不能确定时，可在方格坐标纸上绘制散点图，根据散点的分布，选择接近的、合适的曲线类型。 （二）进行变量变换 Y=f(Y),X=g(X)(12.37) 使变换后的两个变量呈直线关系。 （三）按最小二乘法原理求线性方程和方差分析 （四）将直线化方程转换为关于原变量X、Y的函数表达式幻灯片391.3 常用的数学建模方法常用非线性函数1.指数函数 y=aebx 两边取对数 lny=lna+bx 即得到lny和X成线性关系的方程。当以lnY和X绘制的散点图呈直线趋势时，可考虑采用指数函数来描述Y与X间的非线性关系，lna和b分别为截距和斜率。2.对数函数 Y=a+blnX 当以Y和lnX绘制的散点图呈直线趋势时，可考虑采用对数函数描述Y与X之间的非线性关系，式中的b和a分别为斜率和截距。 3.幂函数 Y=aXb 两边取对数，得 lnY=lna+blnX 当以lnY和lnX绘制的散点图呈直线趋势时，可考虑采用幂函数来描述Y和X间的非线性关系，lna和b分别是截距和斜率 幻灯片40建模能力的培养l 数学建模实践的 每一步中都 蕴含着能力上的 锻炼，在调查研究阶段，需 要用到观察能力、分析能力和数据处理能力等。在提