Page 111 - 化学分析与检测技术

第三章 材料模拟技术的应用

基于以上两点，可以将试验范围控制在非常小的误差之内，模拟计算也可以
帮助排除预想可以达到而实际达不到的多余设计，只需通过较少的 DOE 进行评
估即可，最终形成“材料数据库→新材料理论设计→计算机模拟→试验合成→补
充材料数据库”的无限循环的先进材料研究方法。

2. 材料制备过程中各参数的精确控制
在工业计算机时代，对于材料制备过程中的各参数（如温度 / 压力 / 时间等）
的可控波动较大，从而导致不同炉次、不同批次，甚至同一炉次中不同位置的产
品性能波动较大。为保证产品在工程上应用时不出问题，往往会设定较大的安全

系数。随着智能计算机时代的到来，各种试验设备和测试仪器不断实现智能化、
绿色化、精密化、信息化、可视化、多媒体化、网络化，可以实现过程数据自动
记录，并快速分析反馈，通过程序控制自动给予补偿，大大节省了人力物力，同
时大大提高了产品质量的一致性和稳定性。现代各种仪器设备的控制误差达到千

分之一、万分之一，有的精密仪器甚至达到百万分之一。例如，现代高超音速飞
行器外型空气动力学及热力学设计，可以通过计算机模拟，获得飞行器在超高速
极端条件下的应力场和热力场变化，对精确科学设计飞行器外型、大量减少飞行
器实体制造和风洞试验起到了非常大的作用。

（二）计算机模拟技术在材料科学研究中的现有应用方法
计算机模拟技术在材料科学研究中的应用大致分为材料设计模拟、材料制备
与加工过程模拟、材料工程应用模拟三个部分。其中材料设计模拟是材料科学研
究中最基础的模拟，也是最难的模拟，属于分子 / 微纳米级别的模拟。模拟方法

主要包括：第一性原理、Hartree－Fock方法、密度泛函理论（DFT)、量子力学（QM)、
分子力学（MM)、分子动力学（MD)、蒙特卡洛（MC)、介观动力学（MesoDyn）
和耗散粒子动力学（DPD)、动力学模拟法、热力学模拟法、晶体塑性有限元法、
位错动力学、大尺度 FEM 和 FDM 等。目前多数模拟软件都能方便地建立三维

结构模型，并对各种小分子、纳米团簇、晶体、非晶体、高分子材料及复合材料
的性质及相关过程进行深入研究，并得到可靠数据。
材料设计模拟的典型实际应用包括：材料分子热力学系统、材料分子动力学
系统、材料晶格缺陷、材料断裂力学等方面的研究；材料制备与加工过程模拟的

典型实际应用包括：晶体再结晶、晶体生长、晶体相变、晶体变形等方面的研究；
材料工程应用模拟的典型实际应用包括：材料宏观变形与断裂、晶体凝固与生长、

·95·