(上海交通大学)

1. 高技术新材料的产生途径

在当代高技术迅速发展过程中，新材料的基础和先导作用正日趋明显，新材料本身已成为高技术的重要组成部分。加速发展新材料是国际高技术激烈竞争夺取“制高点”的重要目标，纵观世界各国的高技术计划，几乎都涉及到新材料，如新型光电材料、新型金属材料、精细陶瓷、先进复合材料、生物技术材料等。

高技术新材料的产生大致有以下三个途径：

1）由于理论突破或偶然发现而出现的材料，如超导材料、半导体材料、激光晶体、光导纤维与金属玻璃等。其中半导体超晶格材料是一个典型的例子，该材料体系f先从理论上提出，然后利用特定的技术制备出来。目前属于这类的材料为数并不多，但一旦出现便会造成划时代的进步，例如半导体材料促进了信息时代的到来、激光晶体的出现使传统光学获得了新发展。

2）采用新技术、新工艺或进行成分与组织的调整，对现有材料进行改进并大幅度改善材料的性能，如铝锂合金、金属间化合物、碳纤维以及各种复合材料等，这类材料是现阶段高技术新材料发展的主渠道。

3）人工合成的全新材料，它代表新材料的未来。根据已知数据并利用计算机及先进技术，进行原子或分子加工，得到与预定性能相近的材料。如超晶格便是利用各种外延生长技术，在晶体村底上生长出层层叠加的薄膜，根据不同要求可外延不同种类的原子。又如有机高分子材料可以通过合金化、共混、共聚、嵌镶等手段制备出不同性能的结构或功能材料。

回顾材料发展的历史不难发现，在以往对新材料的探索过程中，很大部分是首先利用一定的材料合成手段（材料技术），在偶然或试探性情况下制备出新材料，尔后对该材料的结构与性质开展研究（材料科学）。因此，通常是材料技术带动材料科学的发展。但随着各种新技术的发展，对材料的性能要求越来越高，由此对材料科学本身也提出了更高的要求，希望材料科学对新材料的研制更好地起到指导作用。随着材料科学及相关学科的发展，对材料微观结构与宏观性能关系了解的日益深入，人们将逐渐可以从理论上预言具有特定结构与功能的材料体系，设计出符合要求的材料，并通过先进工艺和技术制造出来。在此过程中，计算机及其各种模拟技术无疑将起到至关重要的作用，它将加速材料的发展脱离传统的半经验、配方或炒菜方式而逐渐进入“自由王国”。

2. 计算机模拟技术在材料科学中的作用

利用各种新颖算法的模拟技术，并结合运算能力日益强大的计算机，使得人们能够以前所未有的细致和精确程度了解物质内部状况。正是这种能力，计算机模拟在材料科学中的应用越来越广泛，并导致产生了一门材料研究新分支——计算材料科学（Computational Materials Science）。以材料科学及相关学科为基础的各种模拟技术，已成为对复杂材料体系的各种宏观与微观性质、规律进行研究的重要手段，并将对未来材料科学的发展起到极大的推动作用。

采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部微观性质及其宏观力学或物理行为，也能用于快速设计新的材料，并且在没有实际制备出这些新材料前就预测它们的性能。此外，借助于模拟技术的研究方法是综合性的，其目标是模拟尽可能多的系统细节，并包含尽可能多的环境影响因素，这样，被模拟材料系统能在更大程度上吻合于实际的制备或服役过程。最后，材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活，并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验”，特别是在对微观状态与过程的了解方面，模拟“实验”更有其独特甚至有不可替代的作用。

以材料设计为例，它历经经验设计和科学设计（包含复合组织、组织、相和原子四个结构层次）两个阶段。经验设计往往带有“炒菜”的属性，而科学设计则是“依据积累的经验，归纳的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能的材料”。材料设计的发展依赖于实验技术的创新，和材料科学综合理论水平的提高，沿着从宏观到微观四个结构层次而顺序深入。由于材料的成分、各结构层次和性质是彼此关联的整体，因此，材料设计也日趋综合化，单一结构层次的设计逐步被多结构层次设计所代替，单纯的结构设计必然转化为结构和性质相结合的综合设计。在材料科学设计过程中，计算机及各种相关技术成为必不可少的工具，依据材料科学的知识系统，将大f丰富的实验与模拟计算资料贮存起来以形成综合数据库，如合金系相图、合金系的热力学性质、晶体结构参数和物理性质、基础合金系的相结构参数图、相和组织的力学性能困等，发展出各种专门功能的实用性材料设计系统。

3. 主要的模拟技术类型

依据模拟计算的方法或研究对象的特性，模拟技术大致可分为以下几种类型：

1）原子模拟技术

按照获得原子位形或微观状态的方法，直接以原子体系作为研究对象的原子模拟技术可以分为两类。一类是按照一定统计分布构作不同原子位形的Monte Carlo方法，另一类是对体系中的每个原子求解动力学方程而获得不同微观状态的分子动力学（MD）方法，分子静力学（MS）方法则是MD的特例，它也是通过计算原子的受力状况，利用最陡梯度技术获得绝对零度条件下体系的稳态或亚稳态原子构造。上述两类方法已应用到材料研究的各个领域。

2）基于量子力学第一原理的模拟技术

材料的电子结构及相关物性与宏观性能密切相关。例如，原子键的各向异性对合金材料的断裂方式及断裂强度有重要影响，而杂质与合金元素又会对原子的键结合、电荷转移及其局域态密度分布产生作用，进而影响断裂行为。因此，研究材料的电子结构及相关物性，对从微观角度了解材料宏观形变与断裂力学行为的本质机制具有重要价值，也能为探索改善材料力学性能的可能途径提供指导。基于量子力学第一原理并建筑在局部密度函数（LDF）理论上的各种算法（LMTO、FLAPW、SCF-Xα-SW，LKKR等）已能够计算材料的电子结构及一些基本物理性能，包括晶界-作晶-自由表面与裂纹面-杂质-缺陷等各类原子组态的电子结构、相结构稳定性、点和切变面缺陷能量、理想解理能、原子键强及热力学函数等，这使得在实验和理论之间的比较不再局限于依靠经验或半经验参量势函数的计算模式。

3）连续介质模型的数据模拟

主要包括传统的有限差分法、有限元法、边界元法等。例如，对材料研究中的传热温度场、传质扩散等问题都可借助于这些方法进行求解。此外，对于某些连续的材料微观物理演变过程，也可以在对空间和时间的离散化处理的基础上，采用一定的算法封其进行数据模拟，如对材料的显微组织转变过程、晶粒或第二相粒子长大过程等现象的数值模拟。

4）一体化模拟技术

一体化模拟技术是近年来兴起并蓬勃发展的一类析技术。一体化的含义主要体现在研究方法和研究对象的空间尺度两个方面，前者除发展全新技术外，还包括将原有的基于交互作用势函数的原子模拟技术、从第一原理出发的各种计算技术、连续介质模型离散化数值计算这三类技术相结合的模拟技术；后者或是直接研究介于原子尺度和宏观尺度之间细观尺度（1~100μm）的材料结构与性能，或是将不同尺度的材料行为联系起来作为统一体加以研究，特别是如何将不同层次的研究联系起来，已成为材料模拟领域最富挑战性的重点课题。正在发展的模拟技术包括怎样利用原子尺度模拟来研究细观尺度现象、模拟过程在空间与时间尺度上匹配衔接、细观尺度上基于并行计算机模拟的各种新颖算法等。以下是两种在原有方法上加以结合而形成的新型模拟技术。

a）原子模拟和连续介质数值计算结合技术

由于受制于计算能力，原子模拟能处理的原子体系大小有限，要扩展对宏观行为的了解，就必须通过连续介质模型的模拟计算才能实现，其中的关键性问题，是如何合理地建立将原子区域和连续介质连接起来的边界条件。在断裂过程的模拟中已成功地运用了这一新技术。又如，在对界面等缺陷进行研究时，仍利用连续介质模型，但将晶界作为一异类介质区域，而该异类介质的“有效”弹性模量直接由离散化原子模拟确定，这样，界面局部原子结构与它们力学效应间的关系，就能直接加以一体化研究。

b）电子结构模拟与原子模拟结合技术

这是一类将局部电子结构与原子模拟结合起来*介于经典势函数方法和第一原理总能量方法之间的技术。可研究原子与电子结构间的相互依赖关系。半经验紧束缚方法便是其中之一，该方法已成功地应用到共价键晶体的结构性质和过渡金属的相稳定性等很多问题研究中。再如，Car Parrnello方法是将LDF理论和MD方法结为一体的模拟技术。在常规MD模拟中，原子间力是利用经验势函数计算的，但在Car Parrnello方法中，MD模拟的原子间力则以全量子力学方式计算获得。

5）基于人工智能的模拟技术

由于影响材料宏观力学或物理行为的各种因素非常多，诸如化学成分、显微组织、制备及处理的工艺过程、服役条件等，而在当前的材料科学发展水平下，对于材料的某些内在规律尚未被人们充分理解，所以也就无法找出它们的算法解。因此，在材料研究和应用中的不少领域，很大程度上还依靠经验解决问题，或者某些问题即使存在理论上的算法解，但由于解法过于复杂，使它们难以实际应用。针对上述现象，属于人工智能范围下的各种计算机技术为解决这些涉及材料研究与应用中的特有问题提供了有效工具，包括聚类分析模拟识别技术、专家系统、人工神经网络技术等，它们已经或正逐渐被应用于材料的组织成分设计、材料制备和加工过程的控制、材料物理与力学性能的预测等各个方面。

6）基于经验公式的优化设计

尽管影响材料微观组织和宏观性能的因素多而复杂，但在长期的实践与研究中仍积累了很多经验和数据，形成了一些经验公式来作为对材料性质的一种唯像描述。虽然这些经验公式对它们所表述现象或性质的物理内涵并不十分清楚，但对解决实际问题还是很有帮助，它们构成了材料应用领域中有关合理选材、合金优化设计、工艺参数选择、材料成本优化等优化设计的基础。优化设计实质上就是数学上的裘优化问题，任何一个需要优化的实际材料问题在建立了数学模型后都可以用最优化技术来解决。

4. 材料模拟计算的应用范围

模拟计算的范围几乎渗透到材料科学的各个应用领域。原则上讲，凡是封料中局部瞬时的性质或规律已知或已被假设，需要求得大范围长时间现象的发展过程和规律，就可借助计算机来完成。依赖于计算机的大容量，可从局部关系及其相互关系来联成一个整体而了解大范围关系；依赖于计算机的高速度，可由瞬时规律连接发展成为长时间的演化过程。总之，对材料中具体问题的物理过程进行数据模拟，可为发现与探索物理现象和规律，提供新的信息，

1）固态材料的缺陷、转变、扩散等方面：点-线-面缺陷的电子与原子结构及其交互作用和相关能責、非晶结构中的“缺陷"、纳米结构材料界面、相界面和表面的结构与能量、晶界与相界的弹性性质和热效应、品体中的多晶型相转变和结构转变、合金中的形核与沉淀析出、扩散激活能、体-表面-缺陷扩散的原子跃迁过程、辐照条件下的相稳定性与粒子输运和非晶化、表面和晶体缺陷应变场中的偏聚、短程和长程成分有序化等。

2）形变与断裂方面：位错运动行为（自由加速运动、与钉扎点的交互作用、温度与外压力的影响）、裂纹扩展的位错动力学、裂纹扩展与裂尖位错发散及其韧脆转变行为的原子运动特征、非均匀或多相与多晶材料的塑变阻力及断裂模式、位错-界面-裂纹系统的弹塑性宏观与微观分析、受环境影响的材料行为（氧与氢等侵蚀性环境或辐照对材料形变、断裂与蠕变行为的作用）等。

3）体材料性能方面：弹性常数、热膨胀系数、理论切变强度与拉伸强度、各种切变缺陷能量和解理能、声子谱频率、液态金属的静态结构因子、固态或液态作为温度函数的自由能、凝固点温度、恒温或恒压条件下的密度和焓等。

4）连续介质模型数据模拟方面：传热及高能密度加热（加热冷却温度场、感应加热、电子束或离子束加热、激光加热等）、加热冷却过程中的组织转变及相变潜热、各种条件下显微组织的形成与发展（晶社长大、粗化、烧结和再结晶）、自扩散和互扩散的唯像过程、连续体塑变或蠕变与扩散变形的混合过程、韧性断裂和蠕变断裂扩张的本构关系、塑性材料中空洞和断裂的萌生与长大、塑变或蠕变过程中的高变形阻力与变形诱发断裂的断裂阻力等。

5）优化设计和计算机仿真与智能控制方面：材料设计、二元或多元相图计算、材料处理和加工工艺过程的计算机仿其与智能控制（如热处理或化学热处理过程）等。