計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用論文(2)
計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用論文
計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用論文篇二
《計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用》
摘要：現(xiàn)如今，我國各產(chǎn)業(yè)都朝向精細(xì)化和完整化的趨勢發(fā)展，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用必不可少，且對其需求不斷提高。另一方面，應(yīng)用于各領(lǐng)域的材料科學(xué)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(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域，及其實(shí)際應(yīng)用的方向，以期進(jìn)一步推進(jìn)計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的發(fā)展。
關(guān)鍵字：計(jì)算機(jī) 材料科學(xué) 應(yīng)用
計(jì)算機(jī)作為電子信息時代的基本工具，在我們生活的各個領(lǐng)域均起著極為重要的作用，在材料科學(xué)的相關(guān)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(nèi)的溫度、監(jiān)控高爐內(nèi)流體的運(yùn)動以及對高爐使用壽命的推測等都依賴于計(jì)算機(jī)的操控。現(xiàn)如今我國各產(chǎn)業(yè)大多向精細(xì)化和完整化的趨勢發(fā)展，對計(jì)算機(jī)的需求不斷提高。由此，不難看出計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用有著廣闊的前景。那么，如何充分利用計(jì)算機(jī)使材料科學(xué)的研究發(fā)展達(dá)到一個新的高度呢?這就要求我們對計(jì)算機(jī)、材料科學(xué)以及二者關(guān)系有充分的認(rèn)知，并認(rèn)真分析探索計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用方向，結(jié)合計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，更好地發(fā)展材料科學(xué)。
1 計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域
1.1 計(jì)算機(jī)用于新材料的設(shè)計(jì)
通常情況下，新材料的設(shè)計(jì)與制作是通過理論分析和計(jì)算，對新材料的組成成分、結(jié)構(gòu)外觀及性能等方面進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后結(jié)合材料設(shè)計(jì)方案制作具有特定性能或結(jié)構(gòu)的新材料。材料設(shè)計(jì)主要通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)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(yùn)用人工智能方法識別計(jì)算機(jī)中預(yù)先建立的知識庫、數(shù)據(jù)庫，歸納大批量的物理化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)資料，并以此作為理論輔助，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的手段進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的方法受到人們的青睞，是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究探索的主要方向。材料設(shè)計(jì)按照空間尺寸以及設(shè)計(jì)的對象，通常分為微觀設(shè)計(jì)層次、介觀設(shè)計(jì)層次、宏觀設(shè)計(jì)層級三個層級。其中，微觀設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);介觀設(shè)計(jì)層次的尺度大致為1um數(shù)量級;宏觀設(shè)計(jì)層級的尺度與宏觀材料相對應(yīng)。
1.2 材料科學(xué)中的計(jì)算機(jī)模擬
現(xiàn)今，在許多新穎算法的模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，利用具有強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)，能夠大幅度提高材料科學(xué)中的細(xì)致程度和精確程度，可對物質(zhì)內(nèi)部情況有更深層次的研究。因此，計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用越來越受到重視，并衍生出計(jì)算材料科學(xué)這一學(xué)科。材料科學(xué)相關(guān)研究人員常應(yīng)用計(jì)算機(jī)對真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)，并利用計(jì)算機(jī)所提供的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以展開新材料的研究工作。另一方面，計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)、材料性能以及制備和使用等。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用于材料科學(xué)研究中具有極大優(yōu)勢，不但可進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)的模擬，還可對材料內(nèi)部微觀性質(zhì)、宏觀力學(xué)行為均有跟深層次的了解，且可在制備前提前預(yù)測新材料的性能，提供強(qiáng)大的理論指導(dǎo)。
1.3 材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制
在材料科學(xué)研究中，相關(guān)加工技術(shù)的發(fā)展主要通過控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步來體現(xiàn)，由電子計(jì)算機(jī)和可編程控制器等電子設(shè)備在材料加工過程中應(yīng)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(jì)算機(jī)技術(shù)可有效降低勞動強(qiáng)度，提高材料產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，同時增加產(chǎn)量。除此之外，還可通過計(jì)算機(jī)來優(yōu)化控制材料加工制備的工藝過程，例如，建立有關(guān)材料的工藝數(shù)學(xué)模型后，利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行模擬，可通過計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)精確控制相關(guān)制備過程，如在對材料表面進(jìn)行熱處理過程中，對爐溫進(jìn)行精確的自動控制等。
1.4 計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)與圖像處理
材料科學(xué)因其本身的特性，借助計(jì)算機(jī)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(chǔ)上，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的歸納、整理，例如計(jì)算、繪圖等。另外，可進(jìn)行快速查詢，如材料的性能與其聚集狀態(tài)的關(guān)系十分密切，通常需利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)，以二維圖像的形式顯示材料的凝聚結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在此過程中，可利用計(jì)算機(jī)的圖像分析處理功能進(jìn)行材料功能的相關(guān)研究，獲取晶體大小、聚集方式等有效的結(jié)構(gòu)信息，并將其與涉及的性能相聯(lián)系，對材料的結(jié)構(gòu)研究具有指導(dǎo)意義。目前，存在大量進(jìn)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(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的實(shí)際應(yīng)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(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商來代替控制方程中的導(dǎo)數(shù)，并利用此方法實(shí)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(qiáng)的特點(diǎn)，材料的組成成分、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及特殊性能等信息共同構(gòu)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(jì)算機(jī)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(jìn)行查詢;知識庫主要存儲規(guī)則、規(guī)律等信息，可通過相應(yīng)的數(shù)理模型進(jìn)行推理、運(yùn)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(xué)研究中主要物理場的數(shù)值模擬
利用計(jì)算機(jī)可結(jié)合材料加工過程中的傳熱、力學(xué)問題和內(nèi)部原子的遷移等方面內(nèi)容，進(jìn)行模擬場設(shè)計(jì);并采用模擬場的方式，利用有限元分析法進(jìn)行“傳熱傳質(zhì)過程”的數(shù)值模擬。
3 結(jié)語
綜上所述，材料科學(xué)作為發(fā)展尚未成熟的新興學(xué)科，目前其研究大多依靠事實(shí)及經(jīng)驗(yàn)的積累，沒有較為完備的系統(tǒng)。而計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的充分應(yīng)用，可使材料科學(xué)的研究發(fā)展更為系統(tǒng)化，達(dá)到一個新的高度。因此，科學(xué)研究工作者應(yīng)提高對計(jì)算機(jī)、材料科學(xué)以及二者關(guān)系的認(rèn)知，并認(rèn)真分析探索計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用方向，結(jié)合計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，更好地發(fā)展材料科學(xué)。
參考文獻(xiàn)
[1]張志涌.精通Matlab6.5版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
[2]盧百平，鐘仁顯.分子動力學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù)，2007，28(1)：146-148.
作者單位
沈陽理工大學(xué) 遼寧省沈陽市 110159
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