數(shù)據(jù)庫在材料中的應(yīng)用

1、xx大學(xué)專業(yè): 班 級：學(xué) 號：姓 名： 指導(dǎo)老師：完成時間：材料數(shù)據(jù)庫在材料中的應(yīng)用 材料數(shù)據(jù)庫在材料中的應(yīng)用摘要：材料數(shù)據(jù)庫作為材料技術(shù)與信息技術(shù)發(fā)展、結(jié)合的必然產(chǎn)物，在現(xiàn)代材料的生產(chǎn)、科研、流通和應(yīng)用中正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。綜述了材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷史及國內(nèi)外的現(xiàn)狀，展望了材料數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和商業(yè)化的發(fā)展趨勢，并淺談了各個發(fā)展階段的特點以及在無機(jī)非金屬材料中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：材料；數(shù)據(jù)庫；發(fā)展；應(yīng)用Application of materials database in material ScienceXu XiaofengCollege of Science and Me

2、tallurgicál Engineering, Wuhan University of Sciencc and Technology, Wuhan 430081, ChinaAbstract: as the development of materials database inevitable product, materials technology and information technology, modern material production, scientific research, circulation and application is more an

3、d more widely used.The development history and the current situation at home and abroad are reviewed material database, the prospect of development trend in the network, database standardization, intelligent and commercialization, and briefly discusses the characteristics of each stage of developmen

4、t and application in inorganic non-metallic materials.Key words：material；database；development；application引言材料是提高人類生產(chǎn)和生活水平的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類文明和進(jìn)步的重要支柱。在材料的開發(fā)、生產(chǎn)、流通和應(yīng)用過程中涉及到物和信息的大量流動。作為信息流通的載體和重要環(huán)節(jié)，材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)在現(xiàn)代材料生產(chǎn)、科研、流通和應(yīng)用中正獲得越來越廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)已成為材料科學(xué)的一個重要分支。因此，世界發(fā)達(dá)國家都十分重視材料數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和運用工作。一數(shù)據(jù)庫的發(fā)展現(xiàn)狀及進(jìn)展 11材料數(shù)據(jù)庫類別 材料數(shù)據(jù)

5、庫種類較多，按數(shù)據(jù)存儲形式可分為數(shù)值型、文獻(xiàn)型和文獻(xiàn)數(shù)值綜合型，按數(shù)據(jù)服務(wù)模式則可分為離線型、局域網(wǎng)絡(luò)型和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)型。 早期材料數(shù)據(jù)庫以數(shù)值型居多，多以離線或局域網(wǎng)絡(luò)的方式使用，傳播媒體主要是光盤、磁帶、磁盤手冊等。離線型材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，因其成本低和可在PC機(jī)上運行則曾占領(lǐng)了廣大的市場，如Granta開發(fā)的“劍橋選材系統(tǒng)CMS”，ASM International開發(fā)的“MatDB”均是20世紀(jì)7080年代較流行的離線型選材系統(tǒng)引。隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，新型材料數(shù)據(jù)庫以文獻(xiàn)型或綜合型居多，數(shù)據(jù)庫多以在線方式服務(wù)，信息傳播媒體以局域網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為主，服務(wù)范圍包括文獻(xiàn)、實驗數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、商業(yè)信息、用于

6、CADCAE的各種數(shù)據(jù)信息等。目前，較著名的商業(yè)和專業(yè)材料網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫有美國的MatWeb、日本NIMS材料數(shù)據(jù)庫等。 12 數(shù)據(jù)庫發(fā)展階段及各階段特點 數(shù)據(jù)庫發(fā)展階段大致劃分為如下幾個階段：人工管理階段、文件系統(tǒng)階段、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段、高級數(shù)據(jù)庫階段。A. 人工管理階段50年代中期之前，計算機(jī)的軟硬件均不完善。硬件存儲設(shè)備只有磁帶、卡片和紙帶，軟件方面還沒有操作系統(tǒng)，當(dāng)時的計算機(jī)主要用于科學(xué)計算。這個階段由于還沒有軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，程序員在程序中不僅要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還要設(shè)計其物理結(jié)構(gòu)，包括存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入輸出方式等。當(dāng)數(shù)據(jù)的物理組織或存儲設(shè)備改變時，用戶程序就必須重新編制。由

7、于數(shù)據(jù)的組織面向應(yīng)用，不同的計算程序之間不能共享數(shù)據(jù)，使得不同的應(yīng)用之間存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，很難維護(hù)應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的一致性。這一階段的主要特征可歸納為如下幾點：*計算機(jī)中沒有支持?jǐn)?shù)據(jù)管理的軟件。*數(shù)據(jù)組織面向應(yīng)用，數(shù)據(jù)不能共享，數(shù)據(jù)重復(fù)。*在程序中要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)與程序不獨立。*數(shù)據(jù)處理方式批處理。 B. 文件系統(tǒng)階段 這一階段的主要標(biāo)志是計算機(jī)中有了專門管理數(shù)據(jù)庫的軟件操作系統(tǒng)(文件管理)上世紀(jì)50年代中期到60年代中期，由于計算機(jī)大容量存儲設(shè)備(如硬盤)的出現(xiàn)，推動了軟件技術(shù)的發(fā)展，而操作系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著數(shù)據(jù)管理步入一個新的階段。在文件系統(tǒng)階段，數(shù)據(jù)以文件為單位存儲在

8、外存，且由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理。操作系統(tǒng)為用戶使用文件提供了友好界面。文件的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)脫鉤，程序和數(shù)據(jù)分離，使數(shù)據(jù)與程序有了一定的獨立性。用戶的程序與數(shù)據(jù)可分別存放在外存儲器上，各個應(yīng)用程序可以共享一組數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了以文件為單位的數(shù)據(jù)共享。但由于數(shù)據(jù)的組織仍然是面向程序，所以存在大量的數(shù)據(jù)冗余。而且數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)不能方便地修改和擴(kuò)充，數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的每一點微小改變都會影響到應(yīng)用程序。由于文件之間互相獨立，因而它們不能反映現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系，操作系統(tǒng)不負(fù)責(zé)維護(hù)文件之間的聯(lián)系信息。如果文件之間有內(nèi)容上的聯(lián)系，那也只能由應(yīng)用程序去處理。C. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段60年代后，隨著計算機(jī)在數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的

9、普遍應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)管理技術(shù)提出了更高的要求：希望面向企業(yè)或部門，以數(shù)據(jù)為中心組織數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)的冗余，提供更高的數(shù)據(jù)共享能力，同時要求程序和數(shù)據(jù)具有較高的獨立性，當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時，不涉及數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)，也不影響應(yīng)用程序，以降低應(yīng)用程序研制與維護(hù)的費用。數(shù)據(jù)庫技術(shù)正是在這樣一個應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。數(shù)據(jù)庫技術(shù)有如下特點：* 面向企業(yè)或部門，以數(shù)據(jù)為中心組織數(shù)據(jù)，形成綜合性的數(shù)據(jù)庫，為各應(yīng)用共享。* 采用一定的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型不僅要描述數(shù)據(jù)本身的特點，而且要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。* 數(shù)據(jù)冗余小，易修改、易擴(kuò)充。不同的應(yīng)用程序根據(jù)處理要求，從數(shù)據(jù)庫中獲取需要的數(shù)據(jù)，這樣就減少了數(shù)據(jù)的重

10、復(fù)存儲，也便于增加新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性。* 程序和數(shù)據(jù)有較高的獨立性。* 具有良好的用戶接口，用戶可方便地開發(fā)和使用數(shù)據(jù)庫。* 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，提供了數(shù)據(jù)的安全性、完整性、以及并發(fā)控制。 A B C13國內(nèi)材料數(shù)據(jù)庫從80年代后期至今，我國材料數(shù)據(jù)庫有了很大的發(fā)展，各行業(yè)的科研、高校和工廠等單位建立了大量不同規(guī)模、不同領(lǐng)域的材料數(shù)據(jù)庫。已建并較完善的數(shù)據(jù)庫有航空航天工業(yè)部材料數(shù)據(jù)中心和北京航空材料研究所聯(lián)合建立了航空材料數(shù)據(jù)庫和國家863復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫存人8000個牌號的400萬個數(shù)據(jù)值，除航空材料外還有大量通用材料、特種材料和外國材料數(shù)據(jù)。武漢材料保護(hù)研究所和

11、北京科技大學(xué)共建了腐蝕數(shù)據(jù)庫中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所建立的稀土數(shù)據(jù)庫收集了稀土的物理、化學(xué)性能和稀土提取等數(shù)據(jù)庫。清華大學(xué)材料研究所等單位根據(jù)中國高科技研究發(fā)展計劃對新材料領(lǐng)域的要求，聯(lián)合建成了新材料數(shù)據(jù)庫，包括新型金屬和合金、精細(xì)陶瓷、新型高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料和非晶態(tài)材料5個子庫。 為對這些分散各地的數(shù)據(jù)庫實施整合，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源建立起國家數(shù)據(jù)共享體系，從2004年開始科技部在“國家科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)”計劃的6個重點領(lǐng)域中，引入了“科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺”這樣一個國家級的大型科學(xué)數(shù)據(jù)庫專題，計劃建立10余個科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心和11個科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。隨著這一計劃的實施，國內(nèi)材料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)

12、將進(jìn)一步向規(guī)范化、網(wǎng)絡(luò)化和商業(yè)化方向發(fā)展。二材料數(shù)據(jù)庫在無機(jī)非金屬材料中的應(yīng)用 21 用PC一PDF檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層PDF(Powder Diffraction File)卡事先在一定的規(guī)范條件下對所有已知的晶體物質(zhì)進(jìn)行X射線衍射，獲得一套各種晶體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射花樣圖譜，建成卡片形式的數(shù)據(jù)庫。 1938年由Hanawalt等人提出，公布了上千種物質(zhì)的X射線衍射花樣，并將其分類，給出每種物質(zhì)三條最強(qiáng)線的面間距索引。從美國材料實驗學(xué)會（ASTM）在1941年出版第一卷PDF到2001年11月止，X衍射PDF卡片已多達(dá)47卷、87500張，而且PDF卡片的數(shù)量每年還在不斷地更新和增加

13、。 1969年起，由ASTM和英、法、加拿大等國家的有關(guān)協(xié)會組成國際機(jī)構(gòu)的“粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會”，負(fù)責(zé)卡片的搜集、校訂和編輯工作，所以，以后的卡片成為粉末衍射卡，簡稱PDF卡，目前PDF卡片已成為X衍射相分析必不可少的、最權(quán)威的工具。 X射線衍射儀及衍射花樣圖譜PC一PDF檢索系統(tǒng)通常人工檢索PDF卡片效率低，漏檢率高。早在1962年，人們就開始采用計算機(jī)處理PDF卡片?，F(xiàn)在使用的PDF計算機(jī)檢索系統(tǒng)由美、英、法和加拿大等國參加的粉末衍射標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合委員會組織開發(fā)，采用WINDOWS界面，使用極為方便快捷。 分析對象工藝過程沉積工藝為：預(yù)抽真空20min，預(yù)轟擊清洗15min， TiN離子鍍沉

14、積30min后冷卻出爐。為研究不同鍍覆工藝參數(shù)的影響，實驗中分別改變了負(fù)偏壓（100300V）、靶電流（3580A）和氮分壓（0.51.5Pa)。分析W6Mo5Cr4V2高速鋼TiN多弧離子PVD涂層相組成根據(jù)涂層厚度在23m范圍，可以初步判斷X射線衍射圖譜為基體的衍射峰和涂層的衍射峰的疊加。根據(jù)Fe-Ti相圖，Ti在Fe中溶解度小，穩(wěn)定化合物只有TiFe和TiFe2兩種，分析得出優(yōu)先形成TiFe。根據(jù)Ti-N相圖，在PVD的溫度下可能形成的穩(wěn)定相有-Ti、Ti2N及TiN，除此外，還可能出現(xiàn)非平衡相。用PC-PDF系統(tǒng)檢索采用布爾（Boolean）檢索法對僅形成Ti-N和Fe-Ti化合物進(jìn)行

15、檢索，檢索出12張PDF卡片，再通過選擇編號就可得到相應(yīng)的PDF卡片。在每個記錄中存入的主要內(nèi)容有：序號、PDF卡片號、物相名、該物相所含的元素名、晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)、衍射靶參數(shù)。晶面間距值、相對強(qiáng)度值、晶面指數(shù)等。此外，該系統(tǒng)還可采用三強(qiáng)峰等其他檢索方式檢索。TiN涂層試樣X射線衍射圖譜及物相分析 結(jié)合該PVD工藝條件和PDF卡片對試樣的X衍射圖譜進(jìn)行分析，得出該TiN涂層表面主要有TiN、Ti2N、TiN0.26、FeTi相采用計算機(jī)PDF檢索系統(tǒng)，大大提高了檢索效率。22 材料數(shù)據(jù)庫在選材中的應(yīng)用材料型號繁多，品種各異，每一種材料都有其不同的化學(xué)成分和性能，而且材料的結(jié)構(gòu)、性能還隨制備方式與處

16、理工藝不同而不同，可見材料是一個復(fù)雜的多因素系統(tǒng)，所以選材過程是一個十分復(fù)雜的過程。在選材過程中，為了得到最佳的選擇，一方面要采用比較科學(xué)的材料選擇方法；另一方面要借助于計算機(jī)的強(qiáng)大功能，使選材過程程序化、定量化。這樣，再結(jié)合工程技術(shù)人員的判斷和經(jīng)驗，才能達(dá)到比較正確而快捷的選擇和權(quán)衡。因此，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理的材料數(shù)據(jù)庫應(yīng)運而生，并受到使用者的青睞。與傳統(tǒng)選材方法相比，通過材料數(shù)據(jù)庫選材具有如下優(yōu)勢：1) 快且準(zhǔn)。利用材料數(shù)據(jù)庫選材，能按照用戶的需求十分快速準(zhǔn)確地找到所需材料的相關(guān)信息。利用材料數(shù)據(jù)庫進(jìn)行選材，能充分利用計算機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理功能，簡化數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，快速而準(zhǔn)確查找與定

17、位所需數(shù)據(jù)和信息。 2） 全且易。利用材料數(shù)據(jù)庫進(jìn)行選材避免了選材者四處查找手冊的麻煩，一個人機(jī)對話的、菜單式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用戶使用起來十分方便。友好的選材界面使用戶非常容易地從浩瀚的材料數(shù)據(jù)中輕松地選出所需材料，而且有效地避免了漏選錯選。另外，利用計算機(jī)可以對數(shù)據(jù)庫方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)，保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，規(guī)范用戶的操作。 3)智且新。利用材料數(shù)據(jù)庫在得到最佳用材的同時，可以給出多種相近或相似的可用推薦材料，讓用戶可以結(jié)合自己的實際情況進(jìn)行必要的分析、判斷，從而得出最終選擇。另外，若將數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)結(jié)合，不僅可以在庫中已存儲的數(shù)據(jù)中找到所需信息，而且還可以在經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定程度的推理和

18、預(yù)測，使選材過程更智能化。如果通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行共享還可提高數(shù)據(jù)的利用水平并使數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更全更新。三對材料數(shù)據(jù)庫的展望 材料數(shù)據(jù)庫不僅是對已有知識的總結(jié)、有序化，也為新材料的研究和開發(fā)提供科學(xué)的指導(dǎo)；為生產(chǎn)管理、質(zhì)量保障提供必要的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)；并給材料用戶提供基本的指南，使用戶可以快速查詢所需的材料乃至生產(chǎn)企業(yè)。從國際范圍來看，材料數(shù)據(jù)庫正逐步走向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和商業(yè)化，并在材料研究和產(chǎn)品設(shè)計及選材中得到越來越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 張樂福;謝長生材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫的發(fā)展現(xiàn)狀期刊論文-材料工程 1997(04)2郝建偉，肇研先進(jìn)材料性能數(shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀及建議J航空制造技術(shù)，2001，(6)：30323魏丹對我國材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享的幾點看法J機(jī)械工程材料，2003，27(12)：47484 Kirchheiner RKowalski P，Hartung TWerkstoff-Daten-Bank(Material database)JWerkstoffe und Korrosion，1993，44(10)：4104155 Simms N J，Saunder