計算機(jī)在材料中的應(yīng)用

計算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

緒論教學(xué)內(nèi)容：課程的性質(zhì)與任務(wù)，主要內(nèi)容及研究方法，本課程的特點與學(xué)習(xí)方法，材料科學(xué)發(fā)展簡史。教學(xué)要求：

1.了解本課程的主要內(nèi)容及研究方法，材料科學(xué)發(fā)展簡史。

2.了解材料科學(xué)、計算機(jī)以及材料科學(xué)與計算機(jī)之間的關(guān)系。3.了解計算機(jī)在材料科學(xué)中應(yīng)用的幾個方面。1、計算機(jī)有關(guān)概念這是什么？？？？？曙光4000A超級計算機(jī)－國家智能計算機(jī)研發(fā)中心。

這就是我們所熟悉的計算機(jī)，精美的圖片有助于吸引大家的注意力。那么，各位同學(xué)平時使用它們主要來做什么呢？可能的回答結(jié)果是：聊天、游戲以及簡單文本處理等。超級電腦系統(tǒng)曙光4000A，相關(guān)參數(shù):系統(tǒng)使用了共2560顆AMD、Opteron850、2.2GHz微處理器浮點運算、速度達(dá)每秒400000億次。該系統(tǒng)于2004年6月投入服務(wù)，當(dāng)時是全世界所有超級電腦中，排名第10，現(xiàn)時已跌出TOP500排名榜（2007年11月全球排名251）?！笆锕?000A”已成功運行了天氣預(yù)報、石油地震資料處理、核能開發(fā)利用、計算流體力學(xué)、基因與蛋白分析和材料科學(xué)等領(lǐng)域的30多項應(yīng)用。計算機(jī)的發(fā)展歷史邏輯元件時間存儲設(shè)備軟件用途第一代電子管1946-1958（主）磁鼓、磁芯，（外）磁帶機(jī)器語言科學(xué)計算第二代晶體管1958-1964（主）磁芯，（外）開始使用磁盤高級語言及編譯程序數(shù)據(jù)處理，工業(yè)控制第三代中、小規(guī)模集成電路1964-1971（主）磁芯（外）磁盤會話式的高級語言發(fā)展企事業(yè)管理與工業(yè)控制第四代大規(guī)模集成電路1971-至今（主）磁芯（外）磁盤會話式的高級語言工業(yè)、商業(yè)及家庭1946年，為彈道設(shè)計需要由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制出世界上第一臺計算機(jī)，稱為電子數(shù)字積分器與計算器。(electronicnumericalintegratorandcalculator－ENIAC)現(xiàn)代計算機(jī)與ENIAC的對比占地面積m2重量，ton耗電，kw造價×104US￥PC10.0150.50.1ENIA我國計算機(jī)的發(fā)展1959年，第一臺電子管計算機(jī)(4000多個電子管，10000次/秒);1964年，第一臺晶體管計算機(jī);1971年，第一臺集成電路計算機(jī);1983年12月，國防科大，“銀河I型”巨型機(jī)(1億次/秒);1993年，國防科大，“銀河II型”巨型機(jī)(10億次/秒);1997年6月，“銀河III型”巨型機(jī)(130億次/秒);1999年11月，“銀河IV型”巨型機(jī)(10000億次/秒)“銀河”、“曙光”、“神威”、“深騰”計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展軟件是計算機(jī)的靈魂。從功能上講，計算機(jī)軟件大致可分為基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件。基礎(chǔ)軟件：操作系統(tǒng)、編程語言；應(yīng)用軟件：數(shù)據(jù)庫、人工智能、計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)壓縮等。（1）操作系統(tǒng)發(fā)展：早期為命令方式，如今為圖形方式。界面越來越友好，操作越來越方便。（2）編程語言發(fā)展：最初為機(jī)器語言、匯編語言、算法語言，如今為程序設(shè)計語言，功能越來越強(qiáng)大。（3）數(shù)據(jù)庫：它是計算機(jī)信息系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)和重要基礎(chǔ)。歷經(jīng)三代：第一代：網(wǎng)狀、層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；第二代：關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；

第三代：面向?qū)ο竽Ｐ蜑橹饕卣鞯臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。（4）人工智能（AI）的發(fā)展：誕生于1956年。

20世紀(jì)70年代前后，人工智能飛速發(fā)展，借助計算機(jī)啟發(fā)式編程方法建立過程模型，同時建造了專家系統(tǒng)。

80年代中期，人工智能發(fā)展進(jìn)入困境，人工智能方法僅限于模擬人類智能活動中使用成功的經(jīng)驗知識所能處理的簡單問題。

90年代，所謂的符號主義、連接主義和行為主義3種方法并存，再加上人工智能系統(tǒng)引入交互機(jī)制，系統(tǒng)的智能水平得到提高。目前的發(fā)展現(xiàn)狀：智能水平很高，但離人們期望的發(fā)展水平還相差很遠(yuǎn)。（5）計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展：產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，但發(fā)展慢，應(yīng)用僅局限于某些專門領(lǐng)域。如今發(fā)展飛速，已在計算機(jī)輔助設(shè)計和繪圖、辦公自動化、電子出版、地理性息系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2、材料科學(xué)材料的應(yīng)用：塑料10-20%鋁合金5-10%鐵合金60-75%15-20%低合金高強(qiáng)度鋼材料是人類社會進(jìn)步的里程碑石器時代青銅時代鐵器時代石頭、棉花陶瓷、青銅鋼、鐵18世紀(jì)19世紀(jì)20世紀(jì)蒸汽機(jī)電動機(jī)高分子材料

復(fù)合材料

陶瓷金屬材料樹脂、尼龍復(fù)合材料、陶瓷一百萬年前約8500年前13-14世紀(jì)人類對微觀世界的操縱－原子操縱術(shù)量子?xùn)艡诘膾呙杷淼里@微鏡（STM）圖像1990年IBM研究人員首度在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。后來，又搬移近百顆Fe原子形成中文「原子」二字。此結(jié)果成為雜志及國際研討會封面圖案。材料、能源和信息稱為當(dāng)代文明的三大支柱。作為當(dāng)代文明的三大支柱之一，可見其在當(dāng)今社會中所占據(jù)的重要位置。既然如此重要，那么什么是材料？（材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。）材料科學(xué)：以材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝和使用性能以及它們之間相互關(guān)系為研究對象的一門科學(xué)。這也是材料研究者的共同使命。因此，材料科學(xué)的四個要素包括：成分、組織、性能、合成/制備。Synthesis

&Processingcomposition,crystalgrowth,thermaltreatment,etc.Structuremicro-,nano-,molecular,crystalPropertieselectronicmechanicaloptical,etc.Composition

材料的分類：組成與結(jié)構(gòu)——

金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料等；性能和作用——

結(jié)構(gòu)材料和功能材料；用途——

建筑材料、能源材料、電子材料、耐火材料、醫(yī)用材料等。下面簡單介紹一些新材料：（1）超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。超導(dǎo)體具有零電阻和完全抗磁性的特性，對電流傳輸無能量損耗，是一種理想的導(dǎo)電材料。超導(dǎo)材料包括低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)材料：在液氦溫度（4.2K)才能顯示超導(dǎo)性：NbTi合金和Nb3Sn化合物。高溫超導(dǎo)材料：在液氮溫度（77K)顯示超導(dǎo)性，多數(shù)為含銅的氧化物陶瓷，YBa2Cu3O7和Bi2Sr2Ca2CuO具有最好的綜合超導(dǎo)性能。（2）納米材料納米材料的幾何尺寸達(dá)到納米級，并且具有特殊性能。發(fā)展經(jīng)歷三個階段：第一階段：探索制備納米顆粒粉體，合成塊體（含薄膜），研究評估表征方法，探索其特殊性能。第二階段：采用納米微粒與納米微粒的復(fù)合，納米微粒與塊體復(fù)合涉及納米復(fù)合材料，并挖掘其

奇特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。第三階段：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)體系。（3）生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料簡稱生物材料，是指以醫(yī)療為目的，用于診斷、治療、修復(fù)或替換人體組織器官或增進(jìn)其功能的材料。組成：高分子、金屬、陶瓷、天然材料、復(fù)合材料。第一代：20世紀(jì)60-80年代，基于工業(yè)化的材料與生物相容性，開發(fā)出第一代生物醫(yī)用材料。比如：骨釘、骨板、人工血管等。第二代：20世紀(jì)80-90年代，生物材料研究的重點逐漸由生物惰性轉(zhuǎn)向生物活性，開發(fā)了第二代生物醫(yī)用材料?；钚圆牧夏軌蛟谏項l件下發(fā)生可控的反應(yīng)，并作用于人體。使活性材料植入位置和宿主組織不再存在明顯的界面區(qū)分。第三代：20世紀(jì)90年代至今，能在分子水平上刺激細(xì)胞產(chǎn)生特殊應(yīng)答反應(yīng)，從而開發(fā)出第三代生物醫(yī)用材料。（4）能源材料能源材料包括儲能材料、節(jié)能材料、能量轉(zhuǎn)換材料和核能材料。

①相變儲熱材料利用通過控制相變可逆的吸放熱過程達(dá)到儲熱的目的材料。②高效節(jié)能電熱膜材料

用熱傳導(dǎo)式加熱技術(shù)，電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%，且加熱速度快。主要有半導(dǎo)體膜、有機(jī)和無機(jī)復(fù)合電熱膜。③吸附材料基礎(chǔ)氫材料通過吸附效應(yīng)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，或通過儲氫材料的吸、放氫過程實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。④燃料電池材料利用燃料電池進(jìn)行的電化學(xué)過程，達(dá)到高的能量轉(zhuǎn)換效率，比如氫能發(fā)電。(1)計算機(jī)用于新材料的設(shè)計“材料設(shè)計”是指（主要包括三個方面的含義）：理論計算→預(yù)報→組分、結(jié)構(gòu)和性能；理論設(shè)計→定做→新材料；按照生產(chǎn)要求→設(shè)計→制備和加工方法。

3、計算機(jī)技術(shù)與材料學(xué)的關(guān)系材料設(shè)計組分—結(jié)構(gòu)—性能特殊性能新材料制備—加工工藝預(yù)報“定做”設(shè)計(2)材料科學(xué)研究中的計算機(jī)模擬計算機(jī)模擬的概念：根據(jù)實際體系在計算機(jī)上進(jìn)行模擬實驗，通過將模擬結(jié)果與實際體系的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，也可以檢驗由模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡化近似是否成功。優(yōu)點：在某些情況下，計算機(jī)模擬可以部分地代替實驗。計算機(jī)模擬對于理論的發(fā)展也有重要的意義。(3)材料工藝過程的優(yōu)化及自動控制材料加工技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)為控制技術(shù)的飛速發(fā)展。微型計算機(jī)和可編程控制器在材料加工過程中的應(yīng)用正體現(xiàn)了這種發(fā)展趨勢。計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合，使工藝設(shè)備、檢測手段的準(zhǔn)確性和精確度都大大提高。計算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用不僅可以減輕勞動強(qiáng)度，而且可以改善產(chǎn)品質(zhì)量和精度，提高產(chǎn)量。

(4)計算機(jī)用于數(shù)據(jù)和圖像處理材料科學(xué)研究在實驗中可以獲得大量的實驗數(shù)據(jù)，這是第一手的，也是非常重要的原始數(shù)據(jù)。借助計算機(jī)的存儲設(shè)備，可以保存大量的數(shù)據(jù)，同時又可以利用計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如計算、繪圖和擬合分析等）和查找。

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