计算机技术在材料科学中的应用

摘 要 现如今，我国各产业都朝向精细化和完整化的趋势发展，因此计算机技术的应用必不可少，且对其需求不断提高。另一方面，应用于各领域的材料科学也逐渐引起人们的重视。在此背景下，本文综合分析讨论了计算机在材料科学中的应用领域，及其实际应用的方向，以期进一步推进计算机在材料科学中的发展。

【关键词】计算机 材料科学 应用

计算机作为电子信息时代的基本工具，在我们生活的各个领域均起着极为重要的作用，在材料科学的相关研究中发挥的作用也越来越重要，例如钢铁行业的测量高炉内的温度、监控高炉内流体的运动以及对高炉使用寿命的推测等都依赖于计算机的操控。现如今我国各产业大多向精细化和完整化的趋势发展，对计算机的需求不断提高。由此，不难看出计算机在材料科学中的应用有着广阔的前景。那么，如何充分利用计算机使材料科学的研究发展达到一个新的高度呢？这就要求我们对计算机、材料科学以及二者关系有充分的认知，并认真分析探索计算机在材料科学研究领域的应用方向，结合计算机的优势，更好地发展材料科学。

1 计算机在材料科学中的应用领域

1.1 计算机用于新材料的设计

通常情况下，新材料的设计与制作是通过理论分析和计算，对新材料的组成成分、结构外观及性能等方面进行预报，然后结合材料设计方案制作具有特定性能或结构的新材料。材料设计主要通过多次重复实验，进行大面积筛选的方式来完成的，时间周期较长，且大量消耗人力、物力。因此，运用人工智能方法识别计算机中预先建立的知识库、数据库，归纳大批量的物理化学理论和实验资料，并以此作为理论辅助，再结合实验验证的手段进行材料设计的方法受到人们的青睐，是材料科学领域内进行研究探索的主要方向。材料设计按照空间尺寸以及设计的对象，通常分为微观设计层次、介观设计层次、宏观设计层级三个层级。其中，微观设计层次的尺度大致为1nm数量级，属于电子、原子或分子层次的微观结构设计；介观设计层次的尺度大致为1um数量级；宏观设计层级的尺度与宏观材料相对应。

1.2 材料科学中的计算机模拟

现今，在许多新颖算法的模拟技术基础上，利用具有强大计算能力的计算机，能够大幅度提高材料科学中的细致程度和精确程度，可对物质内部情况有更深层次的研究。因此，计算机在材料科学研究中的应用越来越受到重视，并衍生出计算材料科学这一学科。材料科学相关研究人员常应用计算机对真实系统进行相关模拟实验，并利用计算机所提供的模拟实验结果，以展开新材料的研究工作。另一方面，计算机模拟在材料科学中的应用十分广泛，模拟对象涉及材料研制到材料使用的各个过程，例如材料合成、材料结构、材料性能以及制备和使用等。计算机模拟技术应用于材料科学研究中具有极大优势，不但可进行各类实验的模拟，还可对材料内部微观性质、宏观力学行为均有跟深层次的了解，且可在制备前提前预测新材料的性能，提供强大的理论指导。

1.3 材料与工艺过程的优化及自动控制

在材料科学研究中，相关加工技术的发展主要通过控制技术的发展进步来体现，由电子计算机和可编程控制器等电子设备在材料加工过程中应用越来越广泛便可明显看出这一发展趋势。在材料的加工制作过程中，充分使用计算机技术可有效降低劳动强度，提高材料产品的精度和质量，同时增加产量。除此之外，还可通过计算机来优化控制材料加工制备的工艺过程，例如，建立有关材料的工艺数学模型后，利用计算机对其进行模拟，可通过计算机精确有效地控制渗碳渗氮的全过程。在材料制备过程中，可通过计算机精确控制相关制备过程，如在对材料表面进行热处理过程中，对炉温进行精确的自动控制等。

1.4 计算机用于数据与图像处理

材料科学因其本身的特性，借助计算机的存储功能、数据和图像处理功能，可以在大量保存数据基础上，对这些数据进行高效的归纳、整理，例如计算、绘图等。另外，可进行快速查询，如材料的性能与其聚集状态的关系十分密切，通常需利用光学显微镜和电子显微镜技术，以二维图像的形式显示材料的凝聚结构状态。在此过程中，可利用计算机的图像分析处理功能进行材料功能的相关研究，获取晶体大小、聚集方式等有效的结构信息，并将其与涉及的性能相联系，对材料的结构研究具有指导意义。目前，存在大量进行材料数据处理的软件，如X衍射数据处理、最小二乘法数据处理、DPS数据处理、Origin、Excel等。

2 计算机在材料科学中的实际应用

2.1 有效差分法

有限差分法是利用泰勒级数展开等方式，用网格节点上的函数值的差商来代替控制方程中的导数，并利用此方法实现连续函数的离散化，并利用有限的、离散的数值代替原有的连续函数分布。

2.2 材料数据库与知识库

因工程材料种类多且特性强的特点，材料的组成成分、结构特点及特殊性能等信息共同构成了一个极为庞大的体系，给材料研究人员的查询和研究工作带来极大不便，因此利用计算机建立不同类型的材料数据库就显得尤为重要。数据库储存具体的数据值，有智能查询功能，便于材料工作者进行查询；知识库主要存储规则、规律等信息，可通过相应的数理模型进行推理、运算，提供材料的性能等方面的数据，便于工作者对材料性能的把控。

2.3 材料科学研究中主要物理场的数值模拟

利用计算机可结合材料加工过程中的传热、力学问题和内部原子的迁移等方面内容，进行模拟场设计；并采用模拟场的方式，利用有限元分析法进行“传热传质过程”的数值模拟。

3 结语

综上所述，材料科学作为发展尚未成熟的新兴学科，目前其研究大多依靠事实及经验的积累，没有较为完备的系统。而计算机在材料科学中的充分应用，可使材料科学的研究发展更为系统化，达到一个新的高度。因此，科学研究工作者应提高对计算机、材料科学以及二者关系的认知，并认真分析探索计算机在材料科学研究领域的应用方向，结合计算机的优势，更好地发展材料科学。

参考文献

[1]张志涌.精通Matlab6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2]卢百平，钟仁显.分子动力学在材料科学中的应用[J].铸造技术，2007，28（1）：146-148.

作者单位

沈阳理工大学 辽宁省沈阳市 110159