材料计算设计基础.docx

14.材料计算设计的范畴、层次及在材料科学中的地位。

范畴：材料组织构造、成份、性能与使用性能之间做到按需定做

层次：按尺度分类的层次量子力学、分子动力学、缺陷动力学、构造动力学、连续介质力学

材料科学中的地位：

①今日已跨入材料设计时代的门槛,但完全定量化设计仍是一个探究中的目标。

②目前比较成熟的材料设计方法：传统配方型阅历设计或“试错”设计；基于已有试验规律和数据库的初步设计

③目前正在进展的方法：材料学问库和数据库技术：以存取材料学问和性能数据为主要内容的数值数据库；材料设计专家系统：基于材料学问库或数据库，加上人工智能推理的计算机程序系统；材料计算机模拟设计：基于原子、介观或宏观尺度的各种计算机模拟方法；材料第一性原理计算：基于量子理论计算材料构造和性质。

14.材料学科的理论、试验和模拟计算三种争论方法之间的联系和区分。

材料学主要争论材料组织构造、成份、性能与使用性能之间关系。材料模拟计算需要已有的试验数据、理论根底、和强大的计算力量。

与试验相比材料计算的优点：①省时，省力，省财；②可重现试验上观看不到的现象。缺乏：需试验验证。所以在争论中常常两者结合。

14.材料模拟计算方法依据推测性如何分类？举例说明之。

确定性方法：牛顿力学计算离子运动；随机性方法：集中；

统计性方法：体系的性质。

14.材料模拟计算方法依据描述性如何分类？举例说明之。

阅历方法：唯象方法：第一性原理：

14.材料模拟计算的根本过程？要留意哪些问题？

定义自变量：例如时间和空间；

定义因变量(态变量)：强度因变量〔与质量无关〕、广延因变量〔与质量成正比〕、显含因变量〔微构造性质，例如晶粒尺寸〕、隐含因变量〔介观或宏观平均值〕。

建立运动方程：不考虑实际作用力，描述质点变化的函数关系。计算一些相关参数，例如，应变、钢体自旋、晶体重取向率等。

确定状态方程：从因变量的取值动身，描述与路径无关的实际状态函数。典型方程有胡克定律、原子间相互作用势函数、屈服强度与位错密度的关系，相场模型的自由能函数。

构造演化方程：依据因变量的变化，推测微构造演化。非平衡态时，打算微构造演化方程的因素与路径有关，典型方程有分子动力学和位错动力学的牛顿运动方程。

确定相关物理参数：其取决于其它参数，存在非线性关系，对状态方程有直接影响，可以以不同形式表示参数。

边界条件和初始条件：依据具体状况解决

确定数值或解析算法：微构造动力学离散化模型多数含有耦合微分方程，须应用数值方法。

14.何谓第一性原理计算？何谓量子化学从头计算？两者有何联系和区分？

第一性原理：描述原子及其电子运动的物理根底是量子力学。基于量子力学方程不依靠阅历参数计算多粒子体系构造和性质称为第一性原理计算。

量子化学从头算:引入最根本的近似和物理常数求解多粒子体系量子力学方程，以推测体系状态和性质的方法。

“从头计算”除Schr?dinger方程外还允许使用以下参数和原理：

①物理常数：包括光速c、Planck常数h、电子电量e、电子质量me以及原子的各种同位素的质量，尽管这些常数也是通过试验获得的。

②各种数学和物理的近似，最根本的近似是“非相对论近似”、“绝热近似”和“轨道近似”。

两者的联系和区分：

量子化学从头算是第一性原理计算的一种。

基于量子力学的“第一原理”计算〔从头算〕只承受5个根本物理常数：m0、e、h、c、k和几个合理的近似而不依靠任何阅历参数即可正确推测微观体系的状态和性质。

14.第一性原理和量子化学从头算为何要引入一些根本近似？有哪些根本近似？

多粒子体系量子力学方程实际上很难求解，必需针对所争论的具体内容进展必要的简化和近似。

最根本的近似是“非相对论近似”、“绝热近似”和“轨道近似”。

14.什么是波恩－奥本海默近似？波恩－奥本海默近似在第一性原理计算中有什么意义？

Born－Oppenheimer近似(绝热近似):马上核运动和电子运动分别开来处理。由于原子核质量一般比电子的质量约大103～105倍，分子中核的运动比电子的运动要慢近千倍。因此可以把核近似看作不动，电子是在准静态原子核的平均势场下运动。

意义：

对于多粒子体系可以无视原子核的运动：依据Born－Oppenheimer近似，多粒子体系简化为多电子体系，其Hamilton量为

? 2 1 ?

e2 1 ?

Ze2

r?ri jr?Ri pH?

r?r

i j

r?R

i p

2m i 8?? 4??

i 0i,j 0i,p

对于离子实体系依据Born-Oppenheimer绝热近似，可以将离子实的运动与电子的运动分别。

了解多粒子系统的定态薛定颚方程一般表达式、简化的算符表达式及其中