Page 115 - 化学分析与检测技术

第三章 材料模拟技术的应用

组成部分，但基于材料成分和结构本身的复杂性，不少材料研究学家认为多数模
拟只能给出规律性的结果，而绝对性的结果仍然很难在实际中应用；计算机模拟
只能用于解释材料组织结构形成的原因，很难直接创造材料。甚至有少数学者认
为计算机模拟仅为理论结果，对实际无指导作用。当前对计算机模拟存在的片面

认识，也说明计算机模拟在材料制备中的应用还有许多需要完善的地方。
（一）建立较接近实际材料组织结构的物理模型
从空间尺度而言，目前对材料显微组织结构的模拟几乎已包含所有范围：从
微纳米级尺度，如微纳米、原子及电子等；到微米级的介观尺度；再到毫米级以

上的宏观尺度。可模拟的显微结构包括：电子云、原子排布、空位、位错、层错、
亚晶界、晶粒、晶界、相界、织构、成分偏析、固溶原子分布、第二相含量和分
布、杂质及气孔等；且材料组织结构模拟也由二维向三维空间发展。虽然目前材
料研究模拟的范围已非常广泛，然而模拟建立的物理模型与实际情况在许多方面

还相差较远。例如：无限固溶体结构中的原子排布分为绝对有序、短程有序及长
程有序，而实际情况要比以上分类复杂得多；相界面原子结构状态分为共格结构、
半共格结构及非共格结构，而实际情况往往是以上结构的组合，难点在于如何根
据两相的基本物理化学性质模拟出实际材料中的结合状态，从而获得界面强度；

还有就是晶粒的空间形貌，第二相的空间形貌和内部组织结构都会对材料的宏观
性能产生较大影响。
因此，模拟过程本身是计算机运算能力问题，随着计算机硬件的发展，对
于材料科学模拟计算而言，已不是问题。更重要的是模拟前物理模型的建立，如

果物理模型建立得不合适，计算程序编得再好，模拟结果也会偏差非常大。若在
研究制备 / 加工过程模拟和工程应用模拟时，采用更小单元的分子力学 / 介观，
甚至进行量子力学模拟，则更能体现出微观层面的微小变化对宏观变化的影响，
当然这将增加千百万倍的计算量，因此，进一步提高计算机的运算能力依然是非

常重要的。越接近理论结果的方法，越需要极其复杂和庞大的计算量，在未来
30~50 年，原子数目较多的大体系和大尺度的材料计算和模拟将是趋势。尤其是
基于云计算和量子计算等先进计算技术的快速发展，计算机模拟将在模拟精度、
速度、空间、时间四个方面全方位突破，达到数量级上的新高度。再结合第一性

原理方法的不断完善，以及交换关联泛函等新的电子结构计算方法的不断出现与
发展，则能实现材料的计算机模拟结果与实际材料性能的完全匹配，实现从“电

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