新材料設(shè)計中的計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

周冰潔

[摘 要]隨著材料科學(xué)與計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，兩個學(xué)科之間的聯(lián)系日益密切。計算機(jī)技術(shù)中的人工智能技術(shù)可用于新材料的設(shè)計與研發(fā)工作，計算機(jī)模擬技術(shù)也已廣泛應(yīng)用于各種材料成型工藝。此外，材料和工藝過程的優(yōu)化和自動控制也可以通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)，計算機(jī)技術(shù)在新材料的開發(fā)和設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用，其實力和作用不容小覷，在日后的研究工作中，我們應(yīng)該注重對計算機(jī)技術(shù)的利用，結(jié)合優(yōu)勢來更好地發(fā)展材料科學(xué)。

[關(guān)鍵詞]材料科學(xué);計算機(jī)技術(shù);工業(yè)生產(chǎn)

如今，隨著材料科學(xué)研究的不斷深入和應(yīng)用的日益廣泛，其在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。材料科學(xué)研究不僅在傳統(tǒng)材料的應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展，而且在新材料的研究方面也取得了很大的進(jìn)步。作為信息時代的基本工具，計算機(jī)在我們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在材料科學(xué)的相關(guān)研究中所起的作用也變得越來越重要，例如，測量鋼鐵工業(yè)中的高爐溫度，監(jiān)測高爐中流體的運動并推測高爐的使用壽命等。如今，中國大多數(shù)行業(yè)都在向精細(xì)化和完整化方向發(fā)展，對計算機(jī)的需求也在不斷增加。因此，不可否認(rèn)的是，計算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。將計算機(jī)技術(shù)，如計算機(jī)模擬技術(shù)，數(shù)值計算技術(shù)和三維可視化仿真技術(shù)應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域，將極大地促進(jìn)材料科學(xué)領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)。

計算機(jī)技術(shù)可用于設(shè)計新材料。通常，設(shè)計新材料的步驟是：通過理論分析和計算預(yù)測新材料的組成成分，結(jié)構(gòu)外觀和性能。然后結(jié)合材料設(shè)計方案制造具有特定性質(zhì)或結(jié)構(gòu)的新材料。 材料設(shè)計主要通過反復(fù)試驗和大面積篩選完成，需要花費較長的時間和大量的人力物力。因此，如今人們越來越多的使用人工智能技術(shù)識別計算機(jī)中預(yù)先建立的知識庫和數(shù)據(jù)庫，并總結(jié)大量的物理化學(xué)理論和實驗數(shù)據(jù)，將其作為理論輔助，并結(jié)合實驗驗證的方法來進(jìn)行材料設(shè)計。

此外，計算機(jī)模擬技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。計算機(jī)模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種材料成型工藝，包括液態(tài)成型、塑性成型、接頭成型、高分子材料成型、粉末冶金成型和復(fù)合材料成型。計算機(jī)模擬技術(shù)在材料成形加工中的應(yīng)用使得材料工藝從定性描述慢慢過渡為定量預(yù)測，為材料加工和新工藝的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和首選解決方案，對于制造模式有著重要的作用。靈活地使用計算機(jī)模擬方法，是進(jìn)行新材料的性能預(yù)測與設(shè)計的首要問題。所謂的模擬方法，即建立一種科學(xué)方法，用類似于自然現(xiàn)象的模型間接研究原始規(guī)律性。計算機(jī)模擬作為一種重要的科學(xué)研究手段，已應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究的諸多方面，取得了豐碩的成果。

近年來，計算材料科學(xué)取得了顯著的進(jìn)步，其在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中日益廣泛的應(yīng)用令人興奮。不同空間和時間尺度的材料建模，數(shù)值計算和視覺模擬已成為研究的一個分支，有時甚至起著無法比擬的關(guān)鍵作用。 工作表明，使用數(shù)值分析和可視化定量計算機(jī)模擬來研究材料的微觀結(jié)構(gòu)不僅顯著促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展，還在驗證和改進(jìn)體視學(xué)的相關(guān)理論及模型的方面發(fā)揮著重要作用。就體視學(xué)和計算材料科學(xué)之間的關(guān)系而言，材料的微觀結(jié)構(gòu)是多種多樣的，并且會或多或少地偏離體視學(xué)原理適用的假設(shè)條件。一方面，體視學(xué)基于統(tǒng)計模型，表達(dá)一種平均的概念，但是材料中的顯微結(jié)構(gòu)大多數(shù)不是均勻分布。如何通過低維組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的不均勻性來衡量高維空間的相應(yīng)非均勻性是體視學(xué)面臨的一個大問題。另一方面，材料的微觀結(jié)構(gòu)隨著外部條件（如溫度，時間，壓力等）而變化，而體視學(xué)分析是靜態(tài)的，無法給出顯微組織在二維及以下空間與三維空間中演化規(guī)律的動態(tài)對應(yīng)關(guān)系。與上述體視學(xué)的局限性相比，計算機(jī)模擬具有明顯的優(yōu)勢。使用三維可視化仿真技術(shù)，可以通過其他方式虛擬生成最接近實際材料組織結(jié)構(gòu)的模型。充分利用計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，特別是現(xiàn)代先進(jìn)的計算機(jī)圖像處理技術(shù)，可以根據(jù)需要容易地剖取三維仿真組織不同空間取向的截面、進(jìn)行三維直接測量，這不僅直接提供了組織三維表征參量，而且可以更準(zhǔn)確地找到相應(yīng)的二維截面表征參量。這為驗證體視學(xué)相關(guān)方法的可靠性創(chuàng)造了極其科學(xué)和方便的條件。

自20世紀(jì)80年代初以來，材料顯微組織模型化和演變過程的仿真主要集中在材料科學(xué)問題的分析上?？梢灶A(yù)期，如果采用微結(jié)構(gòu)的模擬設(shè)計來指導(dǎo)高科技材料的制備，可以減少大量的試驗性試驗，并且可以顯著縮短材料的開發(fā)周期。這與國際上工程材料和工業(yè)產(chǎn)品的性能逐漸提高，而成本卻日益下降的趨勢不謀而合。

材料和工藝過程的優(yōu)化和自動控制也可以通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)。近20年來計算材料學(xué)的快速發(fā)展，在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域起到了不小的推動作用。一方面，協(xié)助理論研究，深入理解一些重要的材料學(xué)現(xiàn)象，如擴(kuò)散，相變，沉淀，再結(jié)晶，超塑性等; 另一方面，模擬技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一定程度，可以智能地設(shè)計實驗，甚至能夠取代一些實驗，使研究工作更加嚴(yán)謹(jǐn)和有效。

總之，計算機(jī)技術(shù)在新材料的開發(fā)和設(shè)計中發(fā)揮著越來越重要的作用。 計算機(jī)技術(shù)的實力和作用不容小覷，在日后的研究工作中，我們應(yīng)該注重對計算機(jī)技術(shù)的利用，結(jié)合它的優(yōu)勢來更好的發(fā)展材料科學(xué)。

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