計算機在材料科學中的應用論文(2)
計算機在材料科學中的應用論文
計算機在材料科學中的應用論文篇二
《計算機技術在材料科學中的應用》
摘要：現(xiàn)如今，我國各產業(yè)都朝向精細化和完整化的趨勢發(fā)展，因此計算機技術的應用必不可少，且對其需求不斷提高。另一方面，應用于各領域的材料科學也逐漸引起人們的重視。在此背景下，本文綜合分析討論了計算機在材料科學中的應用領域，及其實際應用的方向，以期進一步推進計算機在材料科學中的發(fā)展。
關鍵字：計算機 材料科學 應用
計算機作為電子信息時代的基本工具，在我們生活的各個領域均起著極為重要的作用，在材料科學的相關研究中發(fā)揮的作用也越來越重要，例如鋼鐵行業(yè)的測量高爐內的溫度、監(jiān)控高爐內流體的運動以及對高爐使用壽命的推測等都依賴于計算機的操控?，F(xiàn)如今我國各產業(yè)大多向精細化和完整化的趨勢發(fā)展，對計算機的需求不斷提高。由此，不難看出計算機在材料科學中的應用有著廣闊的前景。那么，如何充分利用計算機使材料科學的研究發(fā)展達到一個新的高度呢?這就要求我們對計算機、材料科學以及二者關系有充分的認知，并認真分析探索計算機在材料科學研究領域的應用方向，結合計算機的優(yōu)勢，更好地發(fā)展材料科學。
1 計算機在材料科學中的應用領域
1.1 計算機用于新材料的設計
通常情況下，新材料的設計與制作是通過理論分析和計算，對新材料的組成成分、結構外觀及性能等方面進行預報，然后結合材料設計方案制作具有特定性能或結構的新材料。材料設計主要通過多次重復實驗，進行大面積篩選的方式來完成的，時間周期較長，且大量消耗人力、物力。因此，運用人工智能方法識別計算機中預先建立的知識庫、數(shù)據(jù)庫，歸納大批量的物理化學理論和實驗資料，并以此作為理論輔助，再結合實驗驗證的手段進行材料設計的方法受到人們的青睞，是材料科學領域內進行研究探索的主要方向。材料設計按照空間尺寸以及設計的對象，通常分為微觀設計層次、介觀設計層次、宏觀設計層級三個層級。其中，微觀設計層次的尺度大致為1nm數(shù)量級，屬于電子、原子或分子層次的微觀結構設計;介觀設計層次的尺度大致為1um數(shù)量級;宏觀設計層級的尺度與宏觀材料相對應。
1.2 材料科學中的計算機模擬
現(xiàn)今，在許多新穎算法的模擬技術基礎上，利用具有強大計算能力的計算機，能夠大幅度提高材料科學中的細致程度和精確程度，可對物質內部情況有更深層次的研究。因此，計算機在材料科學研究中的應用越來越受到重視，并衍生出計算材料科學這一學科。材料科學相關研究人員常應用計算機對真實系統(tǒng)進行相關模擬實驗，并利用計算機所提供的模擬實驗結果，以展開新材料的研究工作。另一方面，計算機模擬在材料科學中的應用十分廣泛，模擬對象涉及材料研制到材料使用的各個過程，例如材料合成、材料結構、材料性能以及制備和使用等。計算機模擬技術應用于材料科學研究中具有極大優(yōu)勢，不但可進行各類實驗的模擬，還可對材料內部微觀性質、宏觀力學行為均有跟深層次的了解，且可在制備前提前預測新材料的性能，提供強大的理論指導。
1.3 材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制
在材料科學研究中，相關加工技術的發(fā)展主要通過控制技術的發(fā)展進步來體現(xiàn)，由電子計算機和可編程控制器等電子設備在材料加工過程中應用越來越廣泛便可明顯看出這一發(fā)展趨勢。在材料的加工制作過程中，充分使用計算機技術可有效降低勞動強度，提高材料產品的精度和質量，同時增加產量。除此之外，還可通過計算機來優(yōu)化控制材料加工制備的工藝過程，例如，建立有關材料的工藝數(shù)學模型后，利用計算機對其進行模擬，可通過計算機精確有效地控制滲碳滲氮的全過程。在材料制備過程中，可通過計算機精確控制相關制備過程，如在對材料表面進行熱處理過程中，對爐溫進行精確的自動控制等。
1.4 計算機用于數(shù)據(jù)與圖像處理
材料科學因其本身的特性，借助計算機的存儲功能、數(shù)據(jù)和圖像處理功能，可以在大量保存數(shù)據(jù)基礎上，對這些數(shù)據(jù)進行高效的歸納、整理，例如計算、繪圖等。另外，可進行快速查詢，如材料的性能與其聚集狀態(tài)的關系十分密切，通常需利用光學顯微鏡和電子顯微鏡技術，以二維圖像的形式顯示材料的凝聚結構狀態(tài)。在此過程中，可利用計算機的圖像分析處理功能進行材料功能的相關研究，獲取晶體大小、聚集方式等有效的結構信息，并將其與涉及的性能相聯(lián)系，對材料的結構研究具有指導意義。目前，存在大量進行材料數(shù)據(jù)處理的軟件，如X衍射數(shù)據(jù)處理、最小二乘法數(shù)據(jù)處理、DPS數(shù)據(jù)處理、Origin、Excel等。
2 計算機在材料科學中的實際應用
2.1 有效差分法
有限差分法是利用泰勒級數(shù)展開等方式，用網格節(jié)點上的函數(shù)值的差商來代替控制方程中的導數(shù)，并利用此方法實現(xiàn)連續(xù)函數(shù)的離散化，并利用有限的、離散的數(shù)值代替原有的連續(xù)函數(shù)分布。
2.2 材料數(shù)據(jù)庫與知識庫
因工程材料種類多且特性強的特點，材料的組成成分、結構特點及特殊性能等信息共同構成了一個極為龐大的體系，給材料研究人員的查詢和研究工作帶來極大不便，因此利用計算機建立不同類型的材料數(shù)據(jù)庫就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)庫儲存具體的數(shù)據(jù)值，有智能查詢功能，便于材料工作者進行查詢;知識庫主要存儲規(guī)則、規(guī)律等信息，可通過相應的數(shù)理模型進行推理、運算，提供材料的性能等方面的數(shù)據(jù)，便于工作者對材料性能的把控。
2.3 材料科學研究中主要物理場的數(shù)值模擬
利用計算機可結合材料加工過程中的傳熱、力學問題和內部原子的遷移等方面內容，進行模擬場設計;并采用模擬場的方式，利用有限元分析法進行“傳熱傳質過程”的數(shù)值模擬。
3 結語
綜上所述，材料科學作為發(fā)展尚未成熟的新興學科，目前其研究大多依靠事實及經驗的積累，沒有較為完備的系統(tǒng)。而計算機在材料科學中的充分應用，可使材料科學的研究發(fā)展更為系統(tǒng)化，達到一個新的高度。因此，科學研究工作者應提高對計算機、材料科學以及二者關系的認知，并認真分析探索計算機在材料科學研究領域的應用方向，結合計算機的優(yōu)勢，更好地發(fā)展材料科學。
參考文獻
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[2]盧百平，鐘仁顯.分子動力學在材料科學中的應用[J].鑄造技術，2007，28(1)：146-148.
作者單位
沈陽理工大學 遼寧省沈陽市 110159
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