1.3　计算机在材料科学与工程中的应用简介

计算机在材料科学与工程中的应用是以计算机为手段，通过理论和计算对材料的固有性质、结构与组分、使用性能及合成与加工进行综合研究的一门新学科方向，其目的在于使人们能主动地对材料进行结构、功能与工艺的优化与控制，以便按需要开发及制备新材料。

把计算机应用于材料科学的思想产生于20世纪50年代，其形成为一门独立的新兴学科则是80年代以后的事，在我国90年代逐步有学者进行这方面的研究尝试工作。近年来，现代科学（信息技术、量子力学、统计物理、固体物理、量子化学、计算科学、计算机图形学等）理论和方法技术的飞速发展，以及计算机能力的空前提高为材料计算机模拟提供了理论基础和有力手段。

高技术新材料是现代知识经济的重要组成部分，其发展日新月异，这为材料的计算与设计提供了发展机遇和广阔空间。计算机在材料领域中的应用具有以下特点：①具有前瞻性；②具有创新性；③可减少或替代实验室工作；④降低研究及生产成本。

目前，随着材料科学研究工作的广泛开展和不断深入，有关“计算机在材料科学与工程中的应用”的科技文献资料迅速增多。但这些文献大都出现在学术期刊或会议文集之中，还缺少既包括基本原理又包括最新研究成果的系统性、综合性书籍，相关面向本科生、研究生的教材就更少。但21世纪新材料在国民经济建设中的地位越来越重要，越来越多的人也想了解材料科学的新进展，想利用计算机技术接触这一新的发展方向，缩小与国外的差距。通过本书的学习，应该能掌握以下知识与技能。

（1）使材料科学与工程专业的学生了解计算机在材料科学中应用的现状和发展趋势，知道所要从事的材料科学研究领域中应当掌握哪些计算机技术和知识。

（2）通过本门课程的学习引导，使他们初步掌握一些计算机在材料科学中应用的入门知识和技能，在面对这个新领域时能比较轻松。

（3）通过学习本书所介绍的计算机应用技术和软件在材料科学中的应用，提高材料科学工作者从事材料研究工作时的效率和水平。

1.3.1　计算机技术用于数值计算与模拟

（1）数值计算　材料科学研究在试验中可获得大量的试验数据，这是材料科学研究中获得的第一手资料，也是非常重要的原始数据。往往这些需要处理的数据比较复杂，数据的精度要求较高，仅凭人工计算处理难以达到精度要求，即使能达到，也要花相当多的时间和精力，且出错的概率很大。随着计算机软、硬件技术的发展，利用计算机程序处理数据可以节约大量人力和物力，同时还可以保证数据的精度。

目前常用的数据计算方法有高斯消元法、最小二乘法、数据拟合和回归分析等，常用的计算机程序语言有Fortran语言、C语言、Basic语言等。

（2）数值模拟　当前，在材料科学领域，计算机模拟技术主要应用为数值模拟技术。数值模拟是指用一组控制方程来描述一个过程的基本参数变化关系，采用数值方法求解，以获得该过程，即对过程进行动态模拟分析，在此基础上判断工艺或方案的优劣、预测缺陷、优化工艺等。数值模拟是材料科学研究从“经验”走向“科学”，从“定性分析”走向“定量分析”的桥梁。

1.3.2　计算机技术用于材料数据和图像处理

材料科学中的试验为材料科学研究提供了大量含有材料基本行为特征信息的试验数据，如何快速精确地处理这些复杂的数据，发现其中的规律，从而得到真实客观的材料行为信息，对材料科学研究而言非常重要。现代计算机的大容量存储特征和快速运算功能为存储和处理大量的材料试验数据提供了很好的平台。计算机对材料数据的处理工作主要包括存储、计算、绘图、拟合分析及快速查询等。目前，可用于材料数据处理的软件很多，如最小二乘法数据处理软件、X衍射数据处理软件、DPS数据处理软件、Excel软件、Origin软件、Image　J软件等，其中的典型代表是Origin软件，可以对材料科学数据进行一般的处理，并能实现数据绘图、曲线拟合等功能。

计算机图像分析已成为辅助研究材料结构和性能之间定量关系的一种重要方法。其应用涉及材料科学研究的各个方面，主要包括晶粒度的测量，夹杂物的评级，相分析，以及显微硬度、孔洞率、球化率、圆度、涂层厚度的测量等。

1.3.3　计算机技术用于材料数据库和知识库

由于工程材料的种类繁多，而每一种材料都有其特定的成分、结构及性能，因此所有工程材料的成分、结构及性能就构成了一个庞大的信息系统，为了便于材料工作者查询和研究，有必要建立各种类型的材料数据库。材料数据库一般应包括材料的性能及一些重要参量的数据，如材料成分、处理、试验条件以及材料的应用与评价等。目前已建立了许多不同类型的材料数据库，如中国科学院金属研究所的材料数据库，该数据库提供了纳米材料数据、高温合金数据、钛合金数据、精密管材数据、材料连接数据、材料腐蚀数据和失效分析等方面的数据；美国材料性能数据库，该数据库提供了铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、镍基合金、铸铁、金属间化合物、碳化物、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子材料、透明材料等约2000个牌号的相关性能数据；美国国家标准研究所（NIST）材料数据库，包括陶瓷数据库、复合材料数据库；日本国立材料科学研究所材料数据库，包括晶体结构基本数据库、材料结构数据库、压力容器材料数据库和扩散数据库等；Matweb材料性能数据库，该数据库提供了铝合金、钴、铜、铅、镁、高温合金、钛和锌合金、陶瓷材料、热塑性和热固性高聚物等材料的性能数据。这些数据库在材料设计与研究方面发挥了巨大作用。

知识库中的内容主要是材料成分、组织、工艺和性能间的关系以及材料科学与工程的有关理论成果，它是实现人工智能的基本条件。实际上知识库就是材料计算设计中的一系列数理模型、用于定量计算或半定量描述的关系式的总和。近年来国际上兴起了数据库知识技术KDD（知识发现），它是一种以强调归纳逻辑推理为特色和自适应寻找规律为目标的知识库系统构造方法。数据库中存储的是具体的数据值，它只能进行查询，不能推理，就像仓库一样。而知识库中存储的是规则、规律，通过数理模型的推理、运算，以一定的可信度给出所需的性能等数据；也可利用知识库进行成分和工艺控制参量的计算设计。利用数据库和知识库可以实现材料性能的预测功能和设计功能，达到设计的双向性。

材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。自1968年费根鲍姆等人成功研制第一个用于质谱仪分析有机化合物分子结构的专家系统以来，材料设计专家系统已获得迅速发展，广泛应用于材料科学研究的各个方面。传统的材料设计专家系统主要有下列几个模块：优化模块、集成化模块和知识获取模块。现在逐步在发展智能专家网络系统，这是以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统。目前基于人工神经网络的处理技术在材料科学中得到了越来越多的应用，在处理规律不明显、组分变量多、非线性方面的问题具有特殊的优越性，并且也可以对建立的数学模型和计算结果进行验证。

1.3.4　计算机技术用于材料设计

材料设计的思想源于20世纪50年代，是指通过理论分析与计算预报新材料的组分、结构及性能，进而通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。长期以来，材料设计主要采用依据大量的试验，进行大面积筛选的方法，这势必消耗大量的人力、物力和时间。同时，由于大量尚未理论化的经验和试验规律的存在，在相当长的一段时间内，人们还不可能完全脱离经验和不进行探索性试验来进行纯理论的材料设计。因此，理论辅助和试验验证相结合的材料设计方法便成为人们探讨的重点。目前，随着计算机技术的发展，将先进的计算机技术应用于材料设计，可以用较少的试验获得理想的材料设计结果。

材料设计一般可分为三个层次：微观设计层次，尺度约1mm数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计层次，尺度约1μm数量级，材料被看做是连续介质，是组织结构层次的设计；宏观设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计研究，是工程应用层次的设计。不同层次所用的理论及方法是不同的，不同层次之间常常相互交叉，不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。

1.3.5　计算机技术用于材料性能表征与检测

材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪表。有时为了测定某些较为特殊的性能，也常用一些通用的测试设备和仪表组成比较复杂的测试系统。在组建的测试系统中，如果使用计算机来控制整个系统，使其协调运行，进行数据采集和数据处理，通常都能使整个系统的功能得到飞跃性的增强。计算机化的材料性能测试系统（CAT系统）是提高材料研究水平的重要手段。由于计算机灵活的编程方式、强大的数据处理能力和很高的运算速度，使得CAT系统可以实现手动方式不能完成的许多测试工作，提高了材料试验研究的水平和测试的精度。在材料性能分析方面，计算机的应用也非常广泛。例如，对纳米非均匀体系中的内应力场及其对相变的影响以及多晶系统中的晶粒压电共振等许多问题进行计算和模拟。这些计算和模拟为深刻地认识材料的物理性质、建立相应的物理模型提供了有力的论据。

1.3.6　计算机网络技术用于材料科学研究

计算机网络技术是通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络是按照网络协议，将地球上分散的、独立的计算机相互连接的集合。连接介质可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能，具有对共享数据资源集中处理和管理以及维护的能力。

21世纪已进入计算机网络时代。计算机网络被极大普及，计算机应用已进入更高层次，计算机网络成了计算机行业的一部分。新一代的计算机已将网络接口集成到主板上，网络功能已嵌入操作系统之中，智能大楼的兴建已经和计算机网络布线同时、同地、同方案施工。随着通信和计算机技术紧密结合和同步发展，计算机网络技术也得到飞跃发展。

借助于计算机网络，不同区域的材料科学研究者可以相互交流，及时了解材料科学的发展动向，查阅各种科技文献，共享材料研究的最新成果，迅速获得各种相关信息。计算机网络技术实现了资源共享，材料研究工作者可以在办公室、家里或其他任何地方，访问查询网上的任何资源，极大地提高了工作效率。而且，利用计算机网络技术使原本烦琐的文献检索工作变得非常简单，可以更快捷、更准确地获得相关的材料科学研究信息。