新型建筑材料設(shè)計(jì)的主要技術(shù)途徑

摘 要:為滿足建筑工業(yè)的新要求，建筑材料的品種和功能需要不斷的增加、更新與完善。為此，新型材料的設(shè)計(jì)近年來已逐漸形成潮流，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大的推動(dòng)了材料設(shè)計(jì)的發(fā)展。本文對(duì)建筑材料設(shè)計(jì)的技術(shù)途徑包括研究內(nèi)容、基本途徑與計(jì)算方法做簡要概述。

關(guān)鍵詞:新型建材;材料設(shè)計(jì);技術(shù)途徑;計(jì)算方法

0 引言

傳統(tǒng)的七大類建筑材料在科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天已經(jīng)不能滿足建筑工業(yè)的某些要求，所以有特殊功能和效用的一類建筑材料即新型建筑材料應(yīng)運(yùn)而生。研究設(shè)計(jì)并努力發(fā)展新型建材具有十分重要的意義，為適應(yīng)建筑工業(yè)的新要求生產(chǎn)出滿足以上特點(diǎn)的新型建筑材料，材料設(shè)計(jì)近年來已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來了。目前，國內(nèi)外已全面開展新材料計(jì)算、設(shè)計(jì)、模擬研究，其中包括材料的性能模擬、性能預(yù)報(bào)、物相預(yù)報(bào)、材料微觀結(jié)構(gòu)計(jì)算、專家系統(tǒng)。

1 材料設(shè)計(jì)概述

1.1 材料設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

材料設(shè)計(jì)是指通過理論與計(jì)算預(yù)報(bào)新材料組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者說，通過理論設(shè)計(jì)來“訂做”具有特定性能的新材料。材料設(shè)計(jì)的研究范疇按研究對(duì)象的空間尺度不同可劃分為4個(gè)層次，即電子層次、原子與分子層次、微觀結(jié)構(gòu)組織和宏觀層次。

1.2 材料設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容

日本學(xué)者三島良績在其撰寫的《新材料開發(fā)和材料設(shè)計(jì)學(xué)》一書中勾畫出材料設(shè)計(jì)的目標(biāo)和內(nèi)容，即從材料制備到使用全過程都是材料設(shè)計(jì)的研究范圍。相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)該包括材料數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫兩個(gè)方面，其中知識(shí)庫包括理論公式或計(jì)算結(jié)果，也包括經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和數(shù)學(xué)模型。柳田博明認(rèn)為材料設(shè)計(jì)應(yīng)該包括兩個(gè)方面的含義:①從指定的目標(biāo)出發(fā)規(guī)定材料性能，并提出合理手段;②為新材料開發(fā)和新效應(yīng)、新功能研究提供指導(dǎo)原理。也有專家建議，單純利用理論物理、理論化學(xué)計(jì)算進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。

1.3 新型建筑材料的主要研究內(nèi)容

我國新型建筑材料工業(yè)伴隨著改革開放的不斷深入而發(fā)展起來的，我國新型建筑材料工業(yè)基本完成了從無到有、從小到大的發(fā)展過程，在全國范圍內(nèi)形成了一個(gè)新型的行業(yè)，成為建筑材料工業(yè)中重要的產(chǎn)品門類和新的增長點(diǎn)。現(xiàn)階段我國新型建筑材料的主要研究內(nèi)容為:

新型墻體材料。墻體材料是指在建筑中起承重、圍護(hù)或分割作用的材料。新型墻體材料的品種較多，主要包括各種空心磚、新型實(shí)心磚、砌塊、墻板等，其主要特點(diǎn)是節(jié)能、利廢、省土、環(huán)保、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高施工效率。

新型建筑涂料。新型建筑涂料是指涂敷于物體表面能形成連續(xù)性涂膜，裝飾、保護(hù)或使物體具有某種特殊功能的材料。

新型建筑塑料。建筑塑料是以高分子材料為主要成分，添加各種改性劑及助劑，為適合建筑工程各部位的特點(diǎn)和要求而生產(chǎn)用于各類建筑工程的塑料制品。

新型裝飾材料。裝飾材料是指建筑物內(nèi)外墻面、地面、頂棚的飾面材料。

新型防水、密封材料。防水材料是指有效防止雨水或地下水向建筑物內(nèi)部滲漏的防水薄膜材料，是建筑業(yè)及其他有關(guān)行業(yè)所需要的重要功能材料。

2 材料設(shè)計(jì)的主要技術(shù)途徑

知識(shí)庫與數(shù)據(jù)庫技術(shù)。計(jì)算機(jī)的材料知識(shí)庫和性能數(shù)據(jù)庫具有一系列優(yōu)點(diǎn)，可與人工智能技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成材料性能預(yù)測或材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的材料知識(shí)庫和性能數(shù)據(jù)庫與早起數(shù)據(jù)的自由管理方式和文件管理方式相比還具有數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)獨(dú)立、數(shù)據(jù)一致、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識(shí)，并能運(yùn)用這些只是解決材料設(shè)計(jì)中有關(guān)問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)象遍及從材料研制到使用的全過程，包括合成、結(jié)構(gòu)、性能、制備和使用等。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。材料設(shè)計(jì)涉及材料的組分、工藝、性能之間的關(guān)系，但這些內(nèi)在的規(guī)律往往不甚清楚，難于建立起精確的數(shù)學(xué)模型。

3 材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算方法

3.1 材料計(jì)算與設(shè)計(jì)的關(guān)系及相關(guān)概念

材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算主要是通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)模擬對(duì)象遍及從材料研制到使用的全過程，包括合成、結(jié)構(gòu)、性能、制備和使用等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和人類對(duì)物質(zhì)不同層次的結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)過程理解的深入，可以用計(jì)算機(jī)精確模擬的對(duì)象日益增多。在許多情況下，用計(jì)算機(jī)模擬比進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)要快、要節(jié)省，因此可根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果預(yù)測有希望的實(shí)驗(yàn)方案，以提高實(shí)驗(yàn)效率。

材料計(jì)算與設(shè)計(jì)(Materials Computation and Design) 是指以計(jì)算機(jī)為手段，通過理論與計(jì)算對(duì)材料的固有性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與組分、使用性能以及合成與加工進(jìn)行綜合研究的一門新學(xué)科方向，其目的在于使人們能主動(dòng)地對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能的優(yōu)化與控制，以便按需要制備新材料。簡而言之，所謂材料計(jì)算與設(shè)計(jì)就是通過理論計(jì)算與設(shè)計(jì)指導(dǎo)“訂做”具有特定性能的新材料。

3.2 材料計(jì)算與設(shè)計(jì)的理論與方法

目前關(guān)于現(xiàn)代材料計(jì)算與設(shè)計(jì)的理論與方法主要有第一性原理法、第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法、分子動(dòng)力學(xué)方法、蒙特卡羅方法、有限元法等。下面對(duì)以上幾種方法進(jìn)行簡要介紹。

第一性原理法(First Principle。第一性原理方法是在電子層次上研究材料的性能。所謂第一性原理，即從最基本的物理規(guī)律出發(fā)，求解體系的薛定諤方程以獲取材料性能方面的信息，從而理解材料中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，預(yù)測材料的性能。除原子構(gòu)型外，它不需要任何其他的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此，第一性原理方法是一種真正意義上的預(yù)測。

第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法(Car-Parrinello)。第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法(CP) 就是在正確描述電子狀態(tài)和作用于各原子間的力的基礎(chǔ)上進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法。與經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法中把電子系與離子系相互獨(dú)立地進(jìn)行計(jì)算相比，其特點(diǎn)在于將兩者以統(tǒng)一的形式進(jìn)行處理和計(jì)算。

蒙特卡羅方法(Monte-Carlo)。MC 方法又稱為隨機(jī)抽樣技術(shù)或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，它以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的，通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)量的計(jì)算。其基本思想是求解數(shù)學(xué)、物理化學(xué)問題時(shí)，將它抽象為一個(gè)概率模型或隨機(jī)過程，使得待求解等于隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率值或隨機(jī)事件的數(shù)學(xué)期望值。

有限元法。有限元法是一種常規(guī)的數(shù)值解法，它是將連續(xù)介質(zhì)采用物理上的離散與片分多項(xiàng)式插值來形成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)值化方程，非常方便計(jì)算機(jī)求解。該方法實(shí)質(zhì)上是完成兩個(gè)轉(zhuǎn)變:從連續(xù)到離散和從解析到數(shù)值，因此可解決大多數(shù)力學(xué)問題、凝固模擬和晶體的塑性模擬等。

分子動(dòng)力學(xué)方法(Molecule Dynamics)。分子動(dòng)力學(xué)方法(MD) 是按該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律來計(jì)算并確定位形的轉(zhuǎn)變。它把多粒子體系抽象為多個(gè)相互作用的質(zhì)點(diǎn)，建立一組分子的運(yùn)動(dòng)方程，通過直接對(duì)系統(tǒng)中的一個(gè)個(gè)分子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到每個(gè)時(shí)刻各個(gè)分子的坐標(biāo)與動(dòng)量，即在相空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法來確定多體系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，從而得到系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。

4 結(jié)語

發(fā)展新型建筑材料，節(jié)約資源與能源，降低污染，提高工業(yè)廢棄物的利用率，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，新型建筑材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)是21世紀(jì)最重要、最有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。按照材料設(shè)計(jì)的理論方法與計(jì)算方法，依托不斷發(fā)展的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)功能，材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)已成為當(dāng)今熱門行業(yè)。今后的材料設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)注意原材料的循環(huán)利用，材料使用過程中的環(huán)保，節(jié)能等方面的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]張光磊.新型建筑材料[M].北京:中國電力出版社，2008.

[2]嚴(yán)捍東.新型建筑材料教程[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2005.

[3]曹茂盛，黃龍男，陳錚.材料現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[4]徐建林，王智平.現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)的理論、方法與應(yīng)用[J].鑄造，2003，5.

[5]熊家炯.材料設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2000.