计算机在材料科学与工程中的应用-3.1资料讲解.ppt

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1、计算机在材料科学与工程中的应用-3.11.材料计算模拟的层次及对应的方法；(了解)2.利用Visualizer建立材料模拟中的各种物理模型-能建立晶体、表面、层结构、掺杂和高聚物图形模型；（重点）3.密度泛函理论及其在Castep模块中的实现；（难点，了解）4.Castep模块在第一性原理计算模拟中的应用-计算材料的晶格常数、能带、态密度、电荷密度等。（重点）第三单元第一性原理主要知识点：一、材料计算模拟的层次及对应的方法计算材料学是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁。一、计算材料学概述计算材料学是利用现

2、代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征，并对于材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计新材料的目的。定义计算模拟及设计在材料研究中的重要性※“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识与征服自然的第三种科学方法。”－－原南开大学校长候自新美国若干专业委员会（1989）“现代理论和计算机的进步，使得材料科学与工程的性质正在发生变化。材料的计算机分析与模型化的进展，将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述阶段。”——《90年代的材料科学与工程》材料研

3、究中的尺度（时间和空间）空间尺度纳观原子层次微观小于晶粒尺寸介观晶粒尺寸大小宏观宏观试样尺寸时间尺度振动频率宏观时间尺度二材料计算模拟的层次及方法空间尺度时间尺度（s）纳观10-16~10-12微观10-13~10-10介观10-10~10-6宏观>10-6空间尺度/m模拟方法典型应用10-10-10-6MetropolisMC热力学、扩散及有序化系统10-10-10-6集团变分法热力学系统10-10-10-6Ising模型磁性系统10-10-10-6Bragg-Williams-Gorsky模型热力学

4、系统10-10-10-6分子场近似热力学系统10-10-10-6分子动力学晶格缺陷与动力学特征10-12-10-8从头计算分子动力学晶格缺陷与动力学特征计算方法与相应空间尺度(微观层次)空间尺度/m模拟方法典型应用10-10-100元胞自动机再结晶、生长、相变、流体10-7-10-2弹簧模型断裂力学10-7-10-2顶点模型、拓扑网络模型、晶界动力学成核、结晶、疲劳10-7-10-2几何模型、拓扑模型、组分模型结晶、生长、织构、凝固10-9-10-4位错动力学塑性、微结构、位错分布10-9-10-5动力

5、学金兹堡-朗道型相场模型扩散、晶界、晶粒粗化10-9-10-5多态动力学波茨模型结晶、生长、相变、织构计算材料学方法与相应空间尺度(介观层次)空间尺度/m模拟方法典型应用10-5-100有限元、有限差分、线性迭代宏观尺度场方程的平均解10-6-100有限元微结构力学性质、凝固10-6-100Tailor-Bishop-Hill模型等弹性、塑性、晶体滑移10-8-100集团模型多晶体弹性10-10-100渗流模型成核、相变、断裂、塑性计算材料学方法与相应空间尺度(宏观层次)不同层次所用的理论及方法是不同的

6、，不同层次间常常是交叉、联合的，不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。计算材料学方法与空间、时间尺度的对应关系各种模拟方法简介空间和时间方面的跨尺度与跨层次现象，以及相应的多尺度耦合反映了物质世界构造的基本性质。空间尺度对于材料的性质，常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的跨尺度方法受到广泛的重视。计算材料学中-跨尺度模拟的基本思路二、MaterialsStudio(Visualizer)应用要求：了解Visualizer的窗口组成及功能；能从数据库导入结构，并进行修改；能绘制有机分子

7、，并进行简单操作；能根据文献数据绘制出晶体；能构建表面等结构；Visualizer模块的初步应用打开或建立Project：菜单栏工具栏工作窗口侧边显示栏3.改变3D结构的视图Rotate:旋转结构视图。使用三键鼠标，右键是旋转操作。Zoom:向上或者右侧拖动可以增大所选结构的视图；向下或者向左侧拖动会缩小所选结构的视图。使用三键鼠标，也可用鼠标上的滚轮进行3D结构的放大、缩小。Translation:将结构沿着不同的方向平移。对于三键鼠标来说，左键执行所选操作，右键则是旋转操作，同时按下左健和右键则会完

8、成缩放操作。此外还可以将键盘和鼠标联用来完成上述操作。以下操作将改变3D结构的位置：FittoView:根据窗口的尺寸，为3D结构选择合适的大小。Recenter:将结构放置到窗口的中心，结构大小不变。若选中一个原子，则将此原子移到窗口的中心，整体3D结构不变。ResetView:将结构放置到窗口中原来的位置，并恢复原有大小。通过选择相应的工具并在3D结构上拖动来改变结构视图。可以使用3DViewer工具栏上的工具来改变3D视图。3DVie