计算机模拟在材料中的应用.doc

(学弟学妹福利，武科大，考试论文)
（深藏功与名）
计算机模拟在材料中的应用

（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉，430081）

摘要：计算机模拟技术在材料设计领域中应用日益广泛，综述了计算机模拟在材料中的应用，介绍了材料科学中计算机模拟技术的意义、模拟方法与层次以及无机非金属材料研究的主要模拟技术，并综述了在金属、晶体和纳米材料3方面的应用。
关键词：计算机模拟 模拟方法与层次 应用
The application of computer simulation in materials
Wu Xiurong
(School of material and metallurgy, Wuhan university of science and technology Wuhan Hubei,430081)
Abstract: Computer simulation technology is widely applied in the field of material design, the application of computer simulation in materials are reviewed in this paper, the significance of computer simulation technology in the materials science are introduced, the simulation method and hierarchical inorganic non-metallic materials research and the main simulation technology, and in the metal, crystal, and nano materials are reviewed in this paper three aspects of the application.
Key words: computer simulation, Simulation and level, application
前言
随着材料科学研究的不断深入和应用的日益广泛，使材料科学在工业生产中占有越来越重要的地位，对国民经济也起到了举足轻重的作用；使材料科学研究不仅在传统材料应用方面有明显进步，而且在新材料研究方面也有巨大进展。计算机模拟是一种根据研究的实际体系，在计算机上进行的模型实验[1]，基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随机性。计算机模拟技术应用于材料科学领域，促进了材料科学的研究及生产领域的预测与控制，本文从计算机模拟的意义、模拟方法与层次以及无机非金属材料研究的主要模拟技术3方面对计算机模拟应用作了简要的综述。

1 计算机模拟材料计算与设计的意义
1.1计算机模拟技术简介
计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用，使材料工艺从定性描述走向定量预测，为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到以知识为基础的计算实验辅助阶段，对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔软、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。计算机模拟是未来材料成型设备工艺的必由之路，其发展趋势是多尺度模拟及集成。
1.2 计算机材料计算与设计的意义
利用计算机进行新物质、新材料的性能预测与设计，首要的问题就是计算机模拟方法的灵活运用。所谓模拟方法，就是建立与某自然现象或过程相似的模型间接研究原有规律性的科学方法。计算机模拟是针对一个复杂真实系统或拟设计研制的系统，用计算机方法建立系统抽象的数学模型，然后通过计算机程序实现这个模型。如果输入相关的参数或边界条件，就可以进行各类操作和模拟实验，从而研究该系统的特征和演化情况。计算机模拟作为科学研究的重要手段，已经被应用于多方面的学术研究，并取得了丰硕的成果。特别是在材料计算和设计中用试验方法观测单个原子、分子运动等无法实现的情况，计算机模拟具有重要意义。计算机模拟计算与设计的意义概括起来有以下几点：
①将计算机模拟计算得出的结论与实验结果或理论计算值进行比较、验证，探讨问题的本质。
②将实验中无法识别其因果关系的量分割为个别因素加以研究，寻找规律性的东西。
③用来分析和解释实验或理论结果中不太清楚的机理或成因。
④用于实验前预测新的现象和物性。
⑤预测实验中难以实现的极限条件或理想条件。

2 计算机模拟的基本方法与层次
2.1计算机模拟方法
计算机模拟一般从形成问题到最后模型确认须经过许多步骤。①形成问题，明确模拟的目的和要求。②尽可能收集和处理系统有关的数据。③形成数学模型，找出组成系统的各个部件，并描述它们在各时刻的状态的有关变量（一般包括输入变量、状态变量和输出变量）或参数；确定各部件之间相互作用和影响的规则，即这些描述变量之间的函数关系。选择参数和变量的时候，还须考虑它们能否辨识或求解，以及模型最后是否适于根据真实系统的数据进行检验。④根据收集的数据确定或估计模型中的参数，并选择模型的初始状态。⑤设计逻辑或信息的流程图，直至编制出计算机程序。⑥程序验证,检验程序与数学模型之间的一致性,以及输入量的合理性。⑦进行模拟试验，对给定的输入在计算机上执行程序。⑧结果数据分析，收集和整理试验结果并做出解释。必要时可改变输入量或部分模型结构，重新进行试验。⑨模型确认，检验由模型所得的结果与真实系统的性能数据的一致性程度。这是关系到计算机模拟是否有效的关键问题，它依赖于对真实系统本身进行试验的水平、能否获得足够的观测数据和判别一致性的准则。模型有效的级别可分为：重现有效的，即模型可重现真实系统的性能；预测有效的，即模型能有效地预测真实系统的未来性能;构成有效的,即模型能反映真实系统内部的结构。由于系统本身是随时间变化的，或者具有随机性，对真实系统数据和模型试验结果的比较常常需要采用时间序列分析方法或统计分析的方法。

3 无机非金属材料研究主要模拟技术
3.1计算机模拟技术应用于晶体材料
晶体的性能决定其内部结构、成分和缺陷的分布状态。通常人们或是希望获得高度完整的晶体即成分均匀、结构完整、缺陷甚少的晶体；或者是为了获得某种物理性能，力图生长出具有预定的成分或者缺陷分布状态的晶体，所以晶体生长是晶体研究的必要环节。到目前为止，对晶体生长的数值模拟研究已有30余年的历史。浓度场和温度场对晶体生长有直接影响，下面简要介绍上述两种场的计算机模拟。
3.1.1 浓度场 
     晶体生长过程中，溶质在晶体和熔体中都不是均匀的，晶体和熔体中的溶质浓度随空间位置而变化，在晶体和熔体的全部空间中，每一点都有确定的浓度，而不同点的浓度不完全相同并且还与时间有关。把浓度的空间分布称为溶质的浓度场[2]。苏伟等采用有限差分法(FDM) 对使用Cz(Czochralski) 法生长Nd∶YAG激光晶体过程中熔体内和晶体内Nd3+ 浓度场进行数值模拟研究。晶体拉速、晶体直径和坩埚尺寸都对熔体内和晶体内Nd3+ 浓度场有影响[3]。对勾形磁场中直拉硅单晶浓度场的数值模拟研究，提出在非均匀轴对称勾形磁场中利用磁控提拉法生长硅单晶。用有限差分法对非均匀轴对称勾形磁场中直拉硅单晶体系中的浓度场进行数值模拟研究,基于直拉硅单晶生长系统的物理及数学模型,进行无量纲化处理,借助于相应的边界条件进行求解,并针对不同工艺条件下熔体中及界面处氧浓度分布情况进行模拟研究[4]。液体的表面张力与其浓度也有着密切的关系，见下图。

图1 表面张力相对体浓度的曲线

3.1.2 温度场 
     采用有限差分法对使用Cz (Czochralski) 法生长Nd∶YAG激光晶体过程中熔体和晶体中的温度场进行数值模拟研究，炉膛内的温场有加热线圈和保温系统等组成。首先给出了Nd∶YAG晶体生长系统的数学模型,然后对上述数学模型进行无量纲化处理,最后给出相应的边界条件,使用有限差分法求解上述方程。仿真了改变工艺条件后熔体和晶体温度场的变化情况,分析了各种工艺条件对温度场变化的影响[5]。也可以对热场进行改造，然后进行数值模拟。例如：大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟，为了降低大直径硅单晶生长过程中氧的引入,对常规的406mm 热场进行了改造。设计了以矮加热器为核心的复合式加热器系统,使晶体生长过程中熔体热对流减小。通过对热场的数值模拟计算,分析了热场的温度分布,发现熔体的纵向温度梯度下降,熔体热对流减小,硅单晶中氧含量降低[6]。
3.2 计算机模拟技术应用于纳米材料 
3.2.1计算机模拟在碳纳米管研究中的应用 
碳纳米管的纳米级尺寸在很大程度上限制了人们对它的了解、测试与观察,严重地影响了它的发展和应用。因此,必须有简单可行的方法来合理计算、测量碳纳米管的各种特性,计算机模拟无疑是研究这种特殊材料的极佳方法。经过多年的研究，我国已经掌握了一些计算机模拟碳纳米管的研究实验，见下表。
表1 计算机模拟碳纳米管实验
研究者
单位
研究方法
模拟实验
顾冲等
丁印锋等
李琰等
清华大学
中国科学院

西安交通大学
巨正则蒙特卡罗法
分子动力学
分子动力学
常温时氢气在单壁碳纳米管中的吸附过程
低能碳原子通过单壁碳纳米管的运动轨迹
碳纳米管的物理特性

3.2.2 计算机模拟在分子筛研究中的应用 
近年来,计算机模拟作为一种有效的方法已经广泛用于固体材料，尤其是微孔材料，如分子筛的研究。在结构、热力学、吸附分离和催化等性质的研究中取得了成功。中国科学院山西煤炭化学研究所王建国等总结了计算机模拟：包括分子力学方法(能量最低化、分子动力学和蒙特卡罗方法) 、量子化学方法(半经验算法和从头算法) 和密度函数方法及其在分子筛若干研究领域诸如吸附、扩散、形状选择反应、分子筛骨架模板剂相互作用、分子与分子筛酸性位的结合以及分子筛骨架、表面结构中的应用[7]。北京化工大学张现仁等采用巨正则蒙特卡罗方法研究了甲烷在两个不同孔径的MCM-41中不同温度下的吸附等温线和其在孔中的相行为和排列方式[8]。北京大学朱丽荔等用巨正则蒙特卡罗方法研究了邻二甲苯和间二甲苯在ITQ-1分子筛中的吸附特征[9]。

4.结语
随着计算机技术飞速发展，材料设计在计算机模拟技术中应用日益广泛。研制材料的方法正由试验-错误变为基于原理的方法，计算机模拟技术促进材料科学逐渐成为一门定量的科学。

参考文献
[1] Leach A R. Molecular modeling principles andapplications.
London: Addison Wesley Longman Limited, 1996.321.
[2] VallsT,FarrellJE,Phys.Rev.,1993,E47,R36—R39.
[3] 苏伟,钟景昌,张丽波,等.Nd∶YAG晶体生长过程中Nd3 + 浓度场的数值模拟.中国激光,2003, 5:435.
[4] 王英伟,刘景和,程灏波,等.勾形磁场中直拉硅单晶浓度场的数值模拟研究.硅酸盐学报，2005,2:133.
[5] 苏伟,钟景昌,张丽波,等.Nd∶YAG晶体生长过程中温度场的数值模拟研究.中国激光，2003,4:334
[6] 任丙彦,刘彩池,张志成,等.大直径直拉硅单晶炉热场的改造及数值模拟.人工晶体学报，2000,11:381.
[7] 王建国,秦张峰,郭向云. 计算机模拟在分子筛研究中的应用.燃料化学学报,1999，27 (增刊12):149. 
[8] 张现仁,汪文川. 甲烷在中孔分子筛MCM-41中吸附的计算机模拟.物理化学学报，2002,18(8) : 680. 
[9] 朱丽荔,候延军. ITQ-1分子筛中二甲苯吸附特征的计算机.物理化学学报,2000,16(11):981.