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补充资料：材料设计中的计算机模拟

材料设计中的计算机模拟

computer simulation for materials design

材料设计中的计算机模拟computer siinulationfor materials design利用计算机对真实的系统进行模拟实验，预报材料科学的实验结果，以指导新材料研究。是材料设计的有用方法之一。模拟对象材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程，包括合成、结构、性能、制备和使用等。例如，在利用计算机模拟氟化物玻璃的微观结构时，可以计算出各种成分的氟化物玻璃的红外吸收光谱，并据此设计出红外光纤用的氟化物玻璃。又如，用计算机模拟梯度材料受热时的内应力，可据此设计热应力小的梯度材料的显微结构等。随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次的结构及动态过程理解的深入，可以用计算机精确模拟的对象将日益增多。在许多情况下，用计算机模拟比进行真实的实验要快要省，因此可以用计算机模拟结果预测有希望的实验方案，提高实验的效率。模拟方法材料设计中的计算机模拟，按其模拟尺度可以分为3类。①原子尺度模拟计算:包括分子动力学(Moleeulard”amies，简称MD)法和蒙特卡洛(Monte Carlo，简称MC)法等。也有人将材料的化学键和电子结构计算归入这类计算机模拟范畴。凝聚态物理和量子化学方法可用于计算高分子和晶体材料的电子结构及其有关性质。分子动力学法和蒙特卡洛法则可根据粒子间作用势计算多粒子系的结构和动态过程。原则上，可用这些方法计算各种物系的结构和多种性质。②显微尺度模拟计算:这类计算以连续介质概念为基础。例如，梯度材料是物相或化学组成从一方向另一方连续过渡的复合材料。其最大优点是温度梯度大时，热应力分散，适于在航天等领域中用作结构材料。在研制梯度材料过程中，可用计算机模拟方法计算材料的热应力分布，为寻找合理的材料结构提供依据。此外，用热力学方法预测材料的相变过程及相变产物的显微结构，也属于此类方法的研究范畴忿③宏观尺度模拟计算:一般与材料或材料部件的工业生产有关。例如，非晶态合金一般用液态合金经急冷而成。在生产非晶态合金宽带时，必须保证宽带中没有晶化“缺陷”，这就要求所用设备和工艺条件能保证获得均匀高速的冷却条件。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程，就有助于设计合理的设备和工艺，以保证产品质量。材料设计的方法可分为归纳法和演绎法两大类，计算机模拟方法属于演绎法的范畴。当对模拟对象的物理、化学原理已有详尽了解时，演绎法是有效和可靠的。但当对象和过程过于复杂且不很清楚时，计算机模拟计算往往需以若干假设为前提，这时计算机模拟结果的可靠性便有一定限度，常需辅以归纳法所获得的经验规律来加以补充或验证。因此，较好的方法是将演绎和归纳法相结合，组成材料设计专家系统。 (程兆年陈念贻)

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