計算機在材料科學中的應用論文(2)
計算機在材料科學中的應用論文
計算機在材料科學中的應用論文篇二
《計算機技術(shù)在材料科學中的應用》
摘要：現(xiàn)如今，我國各產(chǎn)業(yè)都朝向精細化和完整化的趨勢發(fā)展，因此計算機技術(shù)的應用必不可少，且對其需求不斷提高。另一方面，應用于各領(lǐng)域的材料科學也逐漸引起人們的重視。在此背景下，本文綜合分析討論了計算機在材料科學中的應用領(lǐng)域，及其實際應用的方向，以期進一步推進計算機在材料科學中的發(fā)展。
關(guān)鍵字：計算機 材料科學 應用
計算機作為電子信息時代的基本工具，在我們生活的各個領(lǐng)域均起著極為重要的作用，在材料科學的相關(guān)研究中發(fā)揮的作用也越來越重要，例如鋼鐵行業(yè)的測量高爐內(nèi)的溫度、監(jiān)控高爐內(nèi)流體的運動以及對高爐使用壽命的推測等都依賴于計算機的操控。現(xiàn)如今我國各產(chǎn)業(yè)大多向精細化和完整化的趨勢發(fā)展，對計算機的需求不斷提高。由此，不難看出計算機在材料科學中的應用有著廣闊的前景。那么，如何充分利用計算機使材料科學的研究發(fā)展達到一個新的高度呢?這就要求我們對計算機、材料科學以及二者關(guān)系有充分的認知，并認真分析探索計算機在材料科學研究領(lǐng)域的應用方向，結(jié)合計算機的優(yōu)勢，更好地發(fā)展材料科學。
1 計算機在材料科學中的應用領(lǐng)域
1.1 計算機用于新材料的設(shè)計
通常情況下，新材料的設(shè)計與制作是通過理論分析和計算，對新材料的組成成分、結(jié)構(gòu)外觀及性能等方面進行預報，然后結(jié)合材料設(shè)計方案制作具有特定性能或結(jié)構(gòu)的新材料。材料設(shè)計主要通過多次重復實驗，進行大面積篩選的方式來完成的，時間周期較長，且大量消耗人力、物力。因此，運用人工智能方法識別計算機中預先建立的知識庫、數(shù)據(jù)庫，歸納大批量的物理化學理論和實驗資料，并以此作為理論輔助，再結(jié)合實驗驗證的手段進行材料設(shè)計的方法受到人們的青睞，是材料科學領(lǐng)域內(nèi)進行研究探索的主要方向。材料設(shè)計按照空間尺寸以及設(shè)計的對象，通常分為微觀設(shè)計層次、介觀設(shè)計層次、宏觀設(shè)計層級三個層級。其中，微觀設(shè)計層次的尺度大致為1nm數(shù)量級，屬于電子、原子或分子層次的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計;介觀設(shè)計層次的尺度大致為1um數(shù)量級;宏觀設(shè)計層級的尺度與宏觀材料相對應。
1.2 材料科學中的計算機模擬
現(xiàn)今，在許多新穎算法的模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，利用具有強大計算能力的計算機，能夠大幅度提高材料科學中的細致程度和精確程度，可對物質(zhì)內(nèi)部情況有更深層次的研究。因此，計算機在材料科學研究中的應用越來越受到重視，并衍生出計算材料科學這一學科。材料科學相關(guān)研究人員常應用計算機對真實系統(tǒng)進行相關(guān)模擬實驗，并利用計算機所提供的模擬實驗結(jié)果，以展開新材料的研究工作。另一方面，計算機模擬在材料科學中的應用十分廣泛，模擬對象涉及材料研制到材料使用的各個過程，例如材料合成、材料結(jié)構(gòu)、材料性能以及制備和使用等。計算機模擬技術(shù)應用于材料科學研究中具有極大優(yōu)勢，不但可進行各類實驗的模擬，還可對材料內(nèi)部微觀性質(zhì)、宏觀力學行為均有跟深層次的了解，且可在制備前提前預測新材料的性能，提供強大的理論指導。
1.3 材料與工藝過程的優(yōu)化及自動控制
在材料科學研究中，相關(guān)加工技術(shù)的發(fā)展主要通過控制技術(shù)的發(fā)展進步來體現(xiàn)，由電子計算機和可編程控制器等電子設(shè)備在材料加工過程中應用越來越廣泛便可明顯看出這一發(fā)展趨勢。在材料的加工制作過程中，充分使用計算機技術(shù)可有效降低勞動強度，提高材料產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，同時增加產(chǎn)量。除此之外，還可通過計算機來優(yōu)化控制材料加工制備的工藝過程，例如，建立有關(guān)材料的工藝數(shù)學模型后，利用計算機對其進行模擬，可通過計算機精確有效地控制滲碳滲氮的全過程。在材料制備過程中，可通過計算機精確控制相關(guān)制備過程，如在對材料表面進行熱處理過程中，對爐溫進行精確的自動控制等。
1.4 計算機用于數(shù)據(jù)與圖像處理
材料科學因其本身的特性，借助計算機的存儲功能、數(shù)據(jù)和圖像處理功能，可以在大量保存數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對這些數(shù)據(jù)進行高效的歸納、整理，例如計算、繪圖等。另外，可進行快速查詢，如材料的性能與其聚集狀態(tài)的關(guān)系十分密切，通常需利用光學顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)，以二維圖像的形式顯示材料的凝聚結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在此過程中，可利用計算機的圖像分析處理功能進行材料功能的相關(guān)研究，獲取晶體大小、聚集方式等有效的結(jié)構(gòu)信息，并將其與涉及的性能相聯(lián)系，對材料的結(jié)構(gòu)研究具有指導意義。目前，存在大量進行材料數(shù)據(jù)處理的軟件，如X衍射數(shù)據(jù)處理、最小二乘法數(shù)據(jù)處理、DPS數(shù)據(jù)處理、Origin、Excel等。
2 計算機在材料科學中的實際應用
2.1 有效差分法
有限差分法是利用泰勒級數(shù)展開等方式，用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商來代替控制方程中的導數(shù)，并利用此方法實現(xiàn)連續(xù)函數(shù)的離散化，并利用有限的、離散的數(shù)值代替原有的連續(xù)函數(shù)分布。
2.2 材料數(shù)據(jù)庫與知識庫
因工程材料種類多且特性強的特點，材料的組成成分、結(jié)構(gòu)特點及特殊性能等信息共同構(gòu)成了一個極為龐大的體系，給材料研究人員的查詢和研究工作帶來極大不便，因此利用計算機建立不同類型的材料數(shù)據(jù)庫就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)庫儲存具體的數(shù)據(jù)值，有智能查詢功能，便于材料工作者進行查詢;知識庫主要存儲規(guī)則、規(guī)律等信息，可通過相應的數(shù)理模型進行推理、運算，提供材料的性能等方面的數(shù)據(jù)，便于工作者對材料性能的把控。
2.3 材料科學研究中主要物理場的數(shù)值模擬
利用計算機可結(jié)合材料加工過程中的傳熱、力學問題和內(nèi)部原子的遷移等方面內(nèi)容，進行模擬場設(shè)計;并采用模擬場的方式，利用有限元分析法進行“傳熱傳質(zhì)過程”的數(shù)值模擬。
3 結(jié)語
綜上所述，材料科學作為發(fā)展尚未成熟的新興學科，目前其研究大多依靠事實及經(jīng)驗的積累，沒有較為完備的系統(tǒng)。而計算機在材料科學中的充分應用，可使材料科學的研究發(fā)展更為系統(tǒng)化，達到一個新的高度。因此，科學研究工作者應提高對計算機、材料科學以及二者關(guān)系的認知，并認真分析探索計算機在材料科學研究領(lǐng)域的應用方向，結(jié)合計算機的優(yōu)勢，更好地發(fā)展材料科學。
參考文獻
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[2]盧百平，鐘仁顯.分子動力學在材料科學中的應用[J].鑄造技術(shù)，2007，28(1)：146-148.
作者單位
沈陽理工大學 遼寧省沈陽市 110159
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1.計算機的應用論文