材料前言学习报告,基因组工程与抗氢脆设计 - 副本

1、关于“材料基因组工程与抗氢脆设计”的学习报告学生： 学院： 学号： 电话： 日期： 报告信息报告人： 报告地点： 报告时间： 写在前面拿到陈教授分配的课题的时候，我心里挺困惑的，因为我不太清楚怎样才能把学习报告写得出彩；我想，如果我仔仔细细地记录报告中讲到的知识点，要么内容太干瘪，要么和大家写得差不多 但很快我就发现我的担心是多余的，宿老师的这篇报告着实精彩，我听得如此聚精会神，脑子里涌出了各种需要我课后补充的概念、理论、技术等知识点。在翻阅了资料之后，我决定仅概括性的列出报告中涉及到的知识点，更多的插入相关的理论、方法，因为我相信理论的指导作用是深远的在最后，我融入了这个主题报告带给我的思考

2、关于材料设计方法、关于我的研究方向。下面根据自己查阅到的资料阐述一下自己的理解。1 缘起经济发展呼唤新材料自上个世纪八十年代起，技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。目前，从新材料的最初发现到工实现业化的应用，一般需要1020年的时间。例如，Li离子电池，现在虽已经在电子设备上已经广泛使用，但它前后花了近20年（上世纪70年代中期-90年代晚期）的时间才从实验室原型走到大家的生活中；并且，为了将锂离子电池应用到电动汽车上，一系列安全问题、续航问题、充电问题等等依然有待解决。很明显地，新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。而在形容传统的材料研发方法的词中，多是诸如“经验式”、“炒菜式”、

3、“碰运气”等等不够自信、不太靠谱的词语，不难理解，传统的新材料研究中，要求研究者依靠自己的科学直觉、实验经验，并结合现有的理论知识，通过调整研究材料配比，进行表征测试和检验，一般要经过大量重复的尝试性实验后，才能最终找到满足需求的材料。这样的方法势必会导致材料研发周期过长，然而，当前市场竞争愈发激烈，产品迅速地更新换代升级、技术日新月异，材料学家和工程师必须缩短新材料的研发周期，才能迎接21世纪的巨大挑战。能否有一个更加科学的方法替代“试错法”？能不能在现有数据库平台上，通过数学计算、材料的原理、模型来预测要达到某种材料所需要的组成，然后再通过实验进行合成，并检测是否符合要求？其实，有些实验是

4、可以借助现有高效、准确的计算工具，然而，这种计算模拟的准确性依然很弱。除此，制约材料研发周期的另一因素是从发现、发展、性能优化、系统设计与集成、产品论证及推广过程中涉及的研究团队间彼此独立，缺少合作和相互数据的共享以及材料设计的技术有待大幅度提升。正是基于这样的考量，“材料基因组计划”应运而生。2 美国“材料基因组计划”的主要内容为重塑美国全球制造业的领导者地位，同时应对金融危机带来的经济下滑、失业率上升等问题，美国总统奥巴马于2011年宣布启动一项价值超过5亿美元的"先进制造业伙伴关系"（AMP）计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，以期

5、实现制造业的复兴。作为“先进制造业伙伴关系”计划的重要组成部分，美国于2011年底推出了“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI），力图通过材料创新来满足新兴制造业对高性能新材料的需求，以带动先进制造业的发展。“美国材料基因组计划”主要的努力方向有：完善材料计算手段、优化实验手段、建立数据库。2.1 完善材料计算手段目前，从电子到宏观层面都有各自的材料计算软件，但是还不能做到高效跨尺度计算以达到材料性能预测的目的；各个软件之间彼此不兼容；由于知识产权问题，彼此不能共享计算工具的源代码。在这方面未来的工作主要集中在以下几个方面：1）建立准确的材料性能预测

6、模型，并依据理论和经验数据修正模型预测；2）建立开放的平台实现所有源代码共享；3）开发的软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。2.2 优化实验手段1）实验为弥补理论计算模型的不足和构架不同尺度计算间的联系；2）补充非常基础的材料物理，化学和材料学的数据，涉及材料的电子，力学，光学等性能数据，构建材料性能相关的成分，组织和工艺间内在联系，并建立庞大的数据库；3）利用实验数据修正计算模型，加速新材料的筛选及高效确定。2.3 建立数字化的数据库1）构建不同材料的基础数据库、数据的标准化以及它们的共享系统；2）拓展云计算技术在材料研发中的作用，包括远程数据存储与共享；3）通过数字化数据库建设，

7、联系科学家与工程师共同高效开发新材料。 3 我国材料研究现状和基因组计划的提出美国作为一个超级大国，时刻引领着全球经济、科技的发展方向，美国提出“材料基因计划”本身已经足以让世人评说的了；但若看到美国提出基因组计划的背景重塑制造业领导地位，促进美国制造业回归，以解决经济危机带来的国内失业率高的问题再联想到我国目前钢铁企业、重工企业“资源密集、能源密集、资源密集”的亚健康状态，以及前两年的重工企业裁员、招聘规模减少，以及大企业门槛越来越高的现状对比之下，一种危机感油然而生，全球经济增长迟缓的大背景下、劳动密集型企业重心向南亚、非洲等劳动力更廉价的国家迁移；而先进制造业方面，美国要回归，欧洲也要回

8、归那么，我们中国如何保持自己的竞争力，才能不至于在经济发展中处于被动地位？3.1 我国材料基因组计划的发展现状当前材料领域的发展模式是以“一代一代人”为单位的，一个新材料从被发现到能够被利用平均需要10-20年；而在材料加工领域，这种经验性的积累、传承尤其显得重要。尽管国家投入大量物力财力，但是我们的基础薄弱，我国在新材料研发创新方面还存在较多不足，如数据库不健全、计算软件落后、专业人才匮乏、企业参与积极性不高等问题。为此，2012年12月21日，材料科学系统工程发展战略研究中国版材料基因组计划重大项目启动会在中国工程院召开。项目组组长陈立泉院士介绍了咨询项目立项情况和项目的课题设置情况。他希

9、望通过两院院士通力合作，依靠海内外的华人专家和留学人员，作好项目研究。并提出了分阶段提交咨询报告的模式，初步确定了咨询项目的具体进度计划。各院士、专家深入探讨了当前在我国开展材料基因组计划研究的难点和重点，并就咨询项目提出了具体建议。值得欣慰的是，国内材料学的领军者已经充分意识到材料基因组计划的重要意义并开始有所行动。3.2 我校在该领域的特色及努力方向 我国要推动实施“材料基因组”计划，最重要的是建立材料科学的平台，这个平台包括材料基因组计划所需要的数据库、工艺流程、大量的原始数据以及国内外同行做成功的大量材料的案例。为了创立材料科学的平台立，需要科研人员公开自己辛辛苦苦积累的数据，但放弃某

10、些既得利益并不是那么容易的但我们应该看到材料基因组计划的长远意义、战略意义，在数据共享方面各领域科研人员应该有一个共识。这里我们有一个学习的楷模，劳伦斯·伯克利，美国麻省理工学院国家实验室的教授，他在奥巴马总统宣布材料基因组计划后，就做出宣布并向公众开放了15000种材料的相关数据。在承担我国材料基因组计划中，北京各高校和研究机构扮演着重要的角色。我们北京科技大学，作为一所钢铁材料为主，有色金属、无机非金属材料、高分子、复合材料等多元发展的材料研究体系，有着悠久的材料研究历史。并且汇集了各领域的杰出学者和创新性复合型研究人才。为此，我校也应该努力推进材料知识库、计算和设计、可控制备、

11、精确表征和性能服役等环节，以实现研究人员的交叉、融合及协同创新；利用北京的高校资源、利用国际会议吸引国内外一流科学家来进行合作研究和学术交流；比如新金属材料国家重点实验室和材料学院以及国内其他高校、研究所都在研究晶体，在通过大量掺杂数据制备新晶体以及晶体的结构、性能表征方面有不少数据，如果我们把这些数据都放到一个共享数据库里面，那么会很方便他人查阅到这些已经已经做过的数据，这样就能避免科研人员将其他人已经探索过的路再走一遍，节省了的不仅仅是大把的经费，还有科研人员的精力和时间。 在材料基因组计划中，要做的还有很多，第一步是公开数据并建立公共数据库，第二步则是利用已知的数据用计算机进行模拟和优化

12、。我们现在用的计算机软件大多是向国外购买的，现在做一些材料的应力分析，还是要去购买国外软件包。公共数据库建不起来，效率是提不高的，因此，需要有大批计算材料科学和软件科学家的积极参与。3.3 关于材料基因组计划的初步思考宿老师讲到：“我们国家的研究人员和企业一直很努力地在追赶，但我国的材料科学比美国、日本等发达国家落后至少几十年，我们一直处于落后仿制再落后的死循环里。”听到这里的时候，我和其他同学一样，嘴角挂着无奈的笑，心里更是五味陈杂我们研究生，作为高等教育的最大受益者，更应该承担起科技知识的传播者和创造者的职责。在享受着国家教育“恩惠”的同时，看到祖国科技落后，我们必须有一种使命感和责任感，

13、我们应该站在一个更高的角度看到我国材料研究的机遇和挑战。材料基因组工程刚刚起步，面临比“人类基因组计划”涉及领域更为广泛的“材料基因组计划”，我们不能错过历史机遇。如果我们抓住这个机会，相信我们可以将与发达国家之间的差距大大减小！在看到材料基因组计划巨大战略意义的同时，我们也应该明白，掌握“材料的基因密码”并不是一朝一夕能完成的。也许我们还应该有点“献身”精神牺牲点自己的青春玩乐时间，换取扎实的理论基础；牺牲点对金钱、职位的渴慕，换取一点点科研工作的突破此外，还需要我们有灵活的思维，需要我们静下心来，为这个浩大的工程添砖加瓦。4 材料设计方法 前面讲了材料基因组计划的任重道远，我们心中应该已经

14、有了危机感和使命感，但是只是看到高而远的目标略显苍白无力，现在我们需要补充材料基因组这个宏伟计划中涉及到的材料学方法，尤其是材料设计方法。让我们用广博的知识和先进的理论武装自己，以期望为祖国材料发展大计有所贡献！在初步了解材料基因组计划后，会觉得似曾相识。材料基因组计划力求实现材料领域发展模式的转变，揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间的关系，并最终实现有目的地设计新材料。这不正是材料设计方法一直致力于的事情吗？通俗来讲，材料设计是指在计算机的辅助下，以先前积累的知识和经验为基础，根据所提出的性能要求，给出有关材料组分和制备方法方面的信息，用以指导实验，从而提供符合要求、具有某种性能并在某

15、种条件下可以实用的材料。材料设计是材料科学中的一个新兴分支，它50年代被提出，从70年代末期开始有了迅速的发展，特别是近几年来，已经有了不少引人注目的成果，越来越受到发达国家的重视。 现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法，就是根据性能要求确定设计目标，有效地利用现有资源，通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。其中，关键是材料的成份、结构和组织的设计。想象一下，为了给微型机器人定制某种“口味”的材料，研究人员用“镊子”取出几个碳原子放到一堆铁原子上，再根据已经计算出来的原子配比，加入铬、锰、镍很炫酷的样子，很科幻的感觉，而这，正是材料设计方法正在努力做到事情可以这

16、么说，掌握了材料设计之后，“组装材料”、“定制材料”不再遥远！4.1 材料设计方法的研究范畴材料设计的研究范畴按研究对象的空间尺度不同可划分为4 个层次，即电子层次、原子与分子层次、微观结构组织和宏观层次，如图1 所示。图1 材料设计的层次划分电子、原子与分子层次对应的空间尺度大致10nm以下，所对应的学科层次是量子化学、固体物理学等，分子动力学法与蒙特卡罗法是在该层次上常用的研究工具；微观结构对应的空间尺度大致为m级到mm 级，所对应的学科为材料科学，此时材料被认为是连续介质，不用考虑材料中个别原子和分子的行为，有限元等方法是这一领域研究的主要工具；对于材料的性能来说，涉及到块体材料在成形与

17、使用中的行为表现，属于材料工程甚至系统工程的领域，采用的方法如工程模拟等技术。此外，上述各层次对不同的研究任务，其表现作用也不同。如研究电子材料的某些电学特性可能以电子、原子层次的研究为主；研究复合材料的细观力学可能用有限元方法等，因此，不同的材料研究任务可能会采取不同的研究方法。再者，现在材料研究中各层次的联系还不够紧密，各层次之间还缺乏系统的研究，还找不到一个由微观参数到宏观性能指标的定量的科学准则来指导材料设计。所以如何发展一种新型的模拟方法，使4 种不同模拟层次相耦合，建立计算机模拟的统一模型，成为材料设计发展的关键。在目前的状态下，应该进一步加强基础理论的研究以使人工智能技术更好的应

18、用于材料设计，满足生产实际需要。4.2 常用的材料设计方法在查阅相关文献的时候，才发现材料设计方法所涉及的方向之广、理论之晦涩难懂、在实现方法上又是困难重重但是，我相信前沿理论的指导作用是巨大的，以下简略的概括了8大材料设计方法的特点和使用对象。4.2.1 经验法 长期以来，材料研究通常采用配方法或常说的“炒菜”方式进行。该方法是根据大量的试验数据，对成分-组织-性能反复调整、试验，直到获得满意的材料为止。这种方法具有相当大的盲目性，费时、费力、经济损失大。此外，为了总结出材料的成分-组织-性能间的内在规律，常用统计学法对试验数据反复回归，得到一些回归方程，这些关系式对材料的应用起到

19、了一些积极作用。但是，这些关系式仅适用于相应的生产条件；再者，由于材料的制备过程是一个复杂的非线性系统，显然利用线性函数来考虑性能、组织和成分的这些关系式不是很理想的。 4.2.2 半经验法 这种设计方法的基本原理是从已有的大量数据和经验事实出发，将材料的性能、组分等数据存放在数据库中，利用一些数学计算来完成材料设计。典型的材料数据库是日本工程中心自1996年开始建立的LPF数据库，该库涵盖了合金、金属间化合物、陶瓷、矿物等全部无机物材料的有关信息。在LPF数据库的基础上可建立一个知识-信息体系，通过计算有效地预测、开发新材料。要建立有效地知识体系，数学方法较为关键。常用的

20、有热力学方法、能带理论以及利用量子力学理论计算合金的相结构等。4.2.3 第一原理法 材料是由许多紧密排列的原子构成的，是一个复杂的多粒子体系。第一原理法就是把由多粒子构成的体系理解为由电子和原子核组成的多粒子系统，并根据量子力学的基本原理最大限度的对问题实现“非经验性”处理。第一原理的出发点是求解多粒子系统的量子力学薛定谔方程，在实际求解该方程时采用两个简化：一是绝热近似；第二个假设是利用哈特利-福克自洽场近似将多电子的薛定谔方程简化为单电子的有效势方程。事实上，基于第一原理的计算方法发展较快，现在应用最广泛的是密度泛函理论，该理论认为系统基态物理性质是由其电子密度唯一确定的。在实

21、际计算过程中，为了解决交换能与关联能的计算，常采用局域密度近似（LDA），即将非均匀电子系统分割成一些小块，在这些小块中认为电子气是均匀的，这样，子块中的交换关联能只取决于该处的电子密度。4.2.4 分子动力学法 分子动力学（MD）是从原子尺度上来研究体系的有关性质与时间和温度关系的模拟技术，它把多粒子体系抽象为多个相互作用的质点，通过对系统中的各质点的运动方程进行直接求解来得到某一时刻各质点的位置和速度，由此来确定粒子在相空间的运动轨迹，再利用统计计算方法来确定系统的静态特性和动态特性，从而得到系统的宏观性质。在计算中首先要确定势能函数，最简单的是双体势模型，该模型认为原子间作用势

22、只与两个原子间距有关，而与其他原子无关。复杂的模型有镶嵌原子法（EAM），它是基于LDA得到的多体势，势能函数不仅与两个原子间距有关，还与基体有关。各粒子的运动规律服从经典的牛顿力学，其内禀力可用哈密顿量、拉格朗日量或牛顿运动方程来描述，在此基础上就可以计算原子的运动行为。这是一个反复迭代的过程，直到得到原子的运动轨迹，然后按照统计物理原理得出该系统相应的宏观物理特性。分子动力学模拟方法也较多，但是，分子动力学法模拟程序较复杂，计算量也较大。 4.2.5 蒙特卡罗法 蒙特卡罗法（MC）也称随机抽样技术或统计试验方法，是以概率论和数理统计学为基础，通过统计试验来实现目标量的计

23、算。蒙特卡罗方法的基本思路是求解数学、物理化学问题时，将它抽象为一个概率模型或随机过程，使得待求解等于随机事件出现的概率值或随机事件的数学期望值。事实上，随机模型并没有改变多体问题的复杂本质，它只是提供了一种处理问题的有效方法，因此利用该方法研究粒子的瞬时分布和宏观量是很接近实际的。其中在统计物理学上，将宏观量看成是相应微观量在满足给定宏观条件下系统所有可能在微观状态上的平均值，因此它主要研究的是平衡体系的性质。此外， MC法关键问题是抽样方法以及要有足够多的样本。虽然要进行多个抽样，但MC法具有程序简单、占用内存少、算法稳定等优点，因此用它来模拟晶体生长、碰撞、逾渗等问题。4.2.

24、6 有限元法 有限元法是一种常规的数值解法，它是将连续介质采用物理上的离散与片分多项式插值来形成一个统一的数值化方程，非常方便计算机求解。该方法实质上是完成两个转变：从连续到离散和从解析到数值，因此可解决大多数力学问题、凝固模拟和晶体的塑性模拟等。有限元法与细观力学和材料科学相结合产生了有限元计算细观力学，它主要研究复合材料中组分材料间的相互作用力和定量描述细观结构与宏观性能间的关系。然而，有限元法由于是连续体的近似，它不能严格的包含单个晶格缺陷的真正动力学特性，而且在该尺度上大多数的微观结构演化现象是高度非线性的。为克服这一困难，通常采用带有固态变量的状态量方法，该方法对于完成宏观

25、和介观尺度上的模拟是非常有效的。4.2.7 材料设计专家系统 在长期的研究中，虽然对材料的设计积累了一定的理论知识，但是由于材料制备过程中不确定、复杂因素的影响，使得对一些材料的成分、工艺与性能间的内在关系不甚了解，存在许多经验知识，因此材料设计专家系统应运而生。材料设计专家系统就是依靠专家的经验知识，建立材料设计的知识库和数据库，使系统具有逻辑推理能力，从而缩短材料设计周期，提高效率。专家经验知识的获取是一个关键环节，通过对专家经验知识的归纳总结形成知识库和数据库以及形成解决问题的方法（即推理机）。数据库中存放有关材料的物理性能等指标，知识库中用来存放材料的成分工艺性能等规则，推理

26、机根据数据库和知识库所提供的信息得出材料应具有的化学成分和工艺参数。4.2.8 人工神经网络系统 材料设计涉及材料的组分、工艺、性能之间的关系，但这些内在的规律往往不甚清楚，难于建立起精确的数学模型。人工神经网络具有很强的自学习能力，能够从已有的试验数据中获取有关材料的组分、工艺和性能之间的规律，因此特别适用于材料设计，为材料的研究提供了一条有效的新途径。它不需要预先知道输入（材料的成分、工艺）和输出（性能要求）间存在的某种内在联系，便可以进行训练学习，并达到预测的目的，这是材料设计中其它方法难以比拟的。若设计目标可用Y=Y1Y2YmT（YRm）表示，其相关因素用X=X1X2XnT（

27、XRn）表示，目的就是要找出一个从Rn到Rm的映射关系，使得Y =F （X ）。由于该映射为非线性映射，各相关因素对设计目标的比重不同，故可用BP网络解决该问题。BP网络的可靠性、应用性已在广泛使用中得到证实。相关因素与BP网络的输入层对应，它可以是材料的成分、各种工艺条件等；隐含层的神经元是模拟人工神经网络计算过程建立起来的，它能将各种材料的化学成分和工艺参数等数据抽象到较高层次的概念上，使神经网络具有非线性分类的能力； BP网络通过前向计算可得到输出层的输出数据，该数据则与设计目标相对应； BP网络的权值以数据文件的方式存储，其数值根据BP

28、网络的实际输出与期望输出的误差值利用反向传播学习算法来修正。 4.3 计算材料学对材料设计的理论支撑作用随着科学技术的发展，一些新的试验设备和方法相继出现，以及固体物理、分子动力学理论和计算机模拟等技术进一步的发展，都为材料设计提供了理论依据和强有力的技术支持。现列表如下：表1 计算材料学对材料的科学设计给予一定的理论支撑计算材料学对材料的科学设计给予一定的理论支撑材料计算方法材料设计类别第一性原理晶体结构、电子结构、物性参数、稳定性、原子间相互作用势分子动力学构型积分、典型相关分析、聚类分析、热力学量、宏观性质计算热力学稳态与亚稳态相关系、热化学数据、形核与相变驱动力、成分分析、相分数计算动

29、力学新相的形核与长大、沉淀析出、等温转变、连续冷却转变、扩散过程相场理论微观组织的形成及演化、凝固过程、晶粒生长、固态相变、位错演变有限元分析受力分析、热力耦合分析、温度-应力-组织等多场作用条件下的耦合合分析 计算材料学已成为多元合金设计的有效手段，只有多层次跨尺度一体化设计才能在新材料的科学设计上大有作为。4.4 材料设计方法的应用 近年来的材料研究表明，将现代新技术用于材料设计，则可用较少的试验获得较为理想的材料，达到事半功倍的效果。宿老师就是以抗氢脆设计为例，讲解了是如何将各种材料设计方法应用于实际材料设计中的。4.4.1 合金设计计算材料学已成为多元合金设计的有效手段，合金设计应包括

30、成分设计、宏观加工和显微组织的设计，也包括合金性能的预测。Yukawa和Morinaga等人利用变分原子簇法计算一些金属间化合物和合金的电子结构，计算出其轨道能级和键级，并用于合金设计。利用热力学的特征数据也可进行合金相的设计、计算合金的相图，也可根据振动自由能通过从头计算来预测合金相图。还可利用模糊分析方法来实现复相材料的设计，即通过确定复相材料组织参量对性能的隶属函数，并运用模糊线性加权变换来完成对性能的分析与评判。4.4.2 新化合物、新物相的预报 20世纪70年代，梅迪·马提出金属间化合物生成热和稳定性预测方法，利用一些化学键参数来计算金属间化合物。也有人用原子簇团法来预测合

31、金元素在金属间化合物中的作用；前苏联的萨威斯基利用22个原子参数和模式识别技术分析高温合金试验规律，对金属间化合物性能做计算和预报。温元凯等人采用模式识别与键参数分析方法，对钙钛矿氧化物超导体新物相进行预报，并可推广到多元超导化合物的预报，从而为设计、预报、合成新的超导体提供线索。利用分子动力学等技术可实现高聚物聚合反应及新物相的预测等。总体上，平衡条件下新物相性能预报效果较好，而在非平衡条件下考虑加工历史来预报材料性能及其转变过程具有很大的挑战性。4.4.3 复合材料的设计 高性能复合材料在航空、航天等领域中应用越来越广泛，复合材料的设计可应用专家统、神经网络和计算机来进行半定量设计，也可从

32、颗粒甚至原子层次上对材料的力学性质进行定量设计。其中基于宏观、细观、微观力学的计算设计取得了巨大进步，该方法能够定量描述复合材料细观结构对宏观性能影响，为控制复合材料中界面条件、增强相的几何参量及其分布提供可靠依据。但是，有关该方法的研究仍需进一步完善，如细观力学还不能解决复合损伤强度相关的协同效应，非比例加载响应和有棱角增强相的细观结构等问题。4.4.4 金属凝固组织与过程的模拟 金属凝固组织的模拟一直是研究的热点问题之一，研究的内容也由宏观模拟走向微观模拟。在宏观模拟方面主要应用有限元法、有限差分法等来实现金属凝固过程中温度场、流场等变化过程的模拟，并已实现了商业化软件，如CASTCAE、

33、PROCAST 等。而在微观组织模拟方面，现在仍处于研究开发阶段，其研究的内容涉及到结晶、长大过程，固液界面溶质分布的对流等。此研究方法具有多样性，如Rappaz等人采用有限元与元胞自动机相结合的方法模拟微观组织的演变过程，利用蒙特卡罗方法来研究晶粒的生长模型等；此外，由于铸造过程是一个非常复杂的非线性系统，利用神经网络技术可实现多变生产条件下金属的性能预测。4.4.5 薄膜的研究对薄膜的研究是当今材料研究的一个热点，其中薄膜的生长过程涉及到许多问题，解决这些问题常用分子动力学模拟和蒙特卡罗模拟。如当低能离子轰击表面时，离子与表面间相互作用时间很短，而且相互作用对薄膜微观结构也有很大影响，分子

34、动力学则可完成这一过程的模拟。用蒙特卡罗法可完成反应离子束辅助薄膜生长的研究，其计算包括离子注入模拟和沉淀模拟，用于研究离子能量、原子到达的速率和离子类别对膜厚度的影响。还可利用最小热应力准则，针对梯度薄膜材料膜厚度远远小于薄膜平面方向尺寸的特殊性，对梯度薄膜材料进行热弹性理论推导，得出其设计原则，为制备工艺提供依据。4.5 材料设计方法与传统方法的对比抗氢脆设计 宿老师在报告中以高强钢的抗氢脆设计为例，将基于材料基因组理念的设计方法与传统方法进行了对比，现总结如下：在实际工程中，高强钢在重大工程中广泛使用，然而氢脆是高强钢的氢脆严重制约重大工程的建设和服役安全，很多技术人员、科研人员也花费了

35、大量精力解决这个应用瓶颈问题。氢脆的产生：应力诱导氢的扩散和富集 4.5.1 传统设计理念 传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行材料的设计。传统设计在长期运用中得到可以得到不断地完善和提高。4.5.1.1 增加氢陷阱图1 增加氢陷阱元素 缺陷（晶界、位错、裂纹、空洞等）陷阱中的氢，富集会产生（HHH2）氢裂纹，降低晶界强度，导致沿晶氢脆4.5.1.2 成分、组织设计 升高Cth：细化晶粒，改变组织，消除带状和微观偏析；Ct尽量高：加Mo，Cr，Ti，V，Nb形成弥散碳化物；降低夹杂上的氢富集；

36、降低CH：表面形成钝化膜，如Mo>0.3，Cu³0.2%形成阻氢膜。4.5.2 基于材料基因组工程理念 传统的抗氢脆设计主要是经过大量的实验数据的积累后，发现某些元素或结构可以延迟氢脆的发生，然后进一步进行实验，并提出解释的通机制。这种研究方法费时费力、针对性不强，但是经济的发展对材料的性能提出更高的要求，科研人员尝试将材料基因组工程的概念引入对高强钢的抗氢脆设计中，在综合了多种材料设计方法后，已经形成了抗氢脆设计的大致套路。4.5.2.1 抗腐蚀和抗氢脆设计抗腐蚀与抗氢脆设计主要又分为三种：抗腐蚀设计、抗氢脆设计和工艺设计。抗腐蚀设计的出发点是产生钝化膜，以阻挡并延缓腐蚀的发生；抗氢脆设计的出发点是构造氢陷阱，延缓氢原子的扩散和富集，氢陷阱可以是某些析出相，也可以是某些晶界，抗氢脆设计主要的理论是第一性原理；而工艺设计以计算为主，利用相场、计算热力学和计算动力学，对析出相形态和分布进行调控。在对材料的抗氢脆性能进行计算和预测的过程中，离不开基本的材料设计方法：分子动力学、位错动力学、相场、有限元等。4.5.2.2表面钝化膜设计表面钝化膜决定材料的耐蚀和抗