新型建筑材料設計的主要技術途徑

摘 要:為滿足建筑工業的新要求，建筑材料的品種和功能需要不斷的增加、更新與完善。為此，新型材料的設計近年來已逐漸形成潮流，特別是計算機技術的發展極大的推動了材料設計的發展。本文對建筑材料設計的技術途徑包括研究內容、基本途徑與計算方法做簡要概述。

關鍵詞:新型建材;材料設計;技術途徑;計算方法

0 引言

傳統的七大類建筑材料在科學技術發達的今天已經不能滿足建筑工業的某些要求，所以有特殊功能和效用的一類建筑材料即新型建筑材料應運而生。研究設計并努力發展新型建材具有十分重要的意義，為適應建筑工業的新要求生產出滿足以上特點的新型建筑材料，材料設計近年來已經蓬勃發展起來了。目前，國內外已全面開展新材料計算、設計、模擬研究，其中包括材料的性能模擬、性能預報、物相預報、材料微觀結構計算、專家系統。

1 材料設計概述

1.1 材料設計的內涵

材料設計是指通過理論與計算預報新材料組分、結構與性能，或者說，通過理論設計來“訂做”具有特定性能的新材料。材料設計的研究范疇按研究對象的空間尺度不同可劃分為4個層次，即電子層次、原子與分子層次、微觀結構組織和宏觀層次。

1.2 材料設計的主要研究內容

日本學者三島良績在其撰寫的《新材料開發和材料設計學》一書中勾畫出材料設計的目標和內容，即從材料制備到使用全過程都是材料設計的研究范圍。相應的材料設計系統應該包括材料數據庫和知識庫兩個方面，其中知識庫包括理論公式或計算結果，也包括經驗規律和數學模型。柳田博明認為材料設計應該包括兩個方面的含義:①從指定的目標出發規定材料性能，并提出合理手段;②為新材料開發和新效應、新功能研究提供指導原理。也有專家建議，單純利用理論物理、理論化學計算進行材料設計。

1.3 新型建筑材料的主要研究內容

我國新型建筑材料工業伴隨著改革開放的不斷深入而發展起來的，我國新型建筑材料工業基本完成了從無到有、從小到大的發展過程，在全國范圍內形成了一個新型的行業，成為建筑材料工業中重要的產品門類和新的增長點。現階段我國新型建筑材料的主要研究內容為:

新型墻體材料。墻體材料是指在建筑中起承重、圍護或分割作用的材料。新型墻體材料的品種較多，主要包括各種空心磚、新型實心磚、砌塊、墻板等，其主要特點是節能、利廢、省土、環保、減輕勞動強度和提高施工效率。

新型建筑涂料。新型建筑涂料是指涂敷于物體表面能形成連續性涂膜，裝飾、保護或使物體具有某種特殊功能的材料。

新型建筑塑料。建筑塑料是以高分子材料為主要成分，添加各種改性劑及助劑，為適合建筑工程各部位的特點和要求而生產用于各類建筑工程的塑料制品。

新型裝飾材料。裝飾材料是指建筑物內外墻面、地面、頂棚的飾面材料。

新型防水、密封材料。防水材料是指有效防止雨水或地下水向建筑物內部滲漏的防水薄膜材料，是建筑業及其他有關行業所需要的重要功能材料。

2 材料設計的主要技術途徑

知識庫與數據庫技術。計算機的材料知識庫和性能數據庫具有一系列優點，可與人工智能技術相結合，構成材料性能預測或材料設計專家系統。計算機的材料知識庫和性能數據庫與早起數據的自由管理方式和文件管理方式相比還具有數據優化、數據獨立、數據一致、數據共享和數據保護等優點。

材料設計專家系統。材料設計專家系統是指具有相當數量的與材料有關的各種背景知識，并能運用這些只是解決材料設計中有關問題的計算機程序系統。

計算機模擬技術。材料設計中的計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的全過程，包括合成、結構、性能、制備和使用等。

人工神經網絡系統。材料設計涉及材料的組分、工藝、性能之間的關系，但這些內在的規律往往不甚清楚，難于建立起精確的數學模型。

3 材料設計中的計算方法

3.1 材料計算與設計的關系及相關概念

材料設計中的計算主要是通過計算機模擬實現的，計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的全過程，包括合成、結構、性能、制備和使用等。隨著計算機技術的進步和人類對物質不同層次的結構及動態過程理解的深入，可以用計算機精確模擬的對象日益增多。在許多情況下，用計算機模擬比進行真實的實驗要快、要節省，因此可根據計算機模擬結果預測有希望的實驗方案，以提高實驗效率。

材料計算與設計(Materials Computation and Design) 是指以計算機為手段，通過理論與計算對材料的固有性質、結構與組分、使用性能以及合成與加工進行綜合研究的一門新學科方向，其目的在于使人們能主動地對材料進行結構與功能的優化與控制，以便按需要制備新材料。簡而言之，所謂材料計算與設計就是通過理論計算與設計指導“訂做”具有特定性能的新材料。

3.2 材料計算與設計的理論與方法

目前關于現代材料計算與設計的理論與方法主要有第一性原理法、第一性原理分子動力學方法、分子動力學方法、蒙特卡羅方法、有限元法等。下面對以上幾種方法進行簡要介紹。

第一性原理法(First Principle。第一性原理方法是在電子層次上研究材料的性能。所謂第一性原理，即從最基本的物理規律出發，求解體系的薛定諤方程以獲取材料性能方面的信息，從而理解材料中出現的一些現象，預測材料的性能。除原子構型外，它不需要任何其他的經驗參數，因此，第一性原理方法是一種真正意義上的預測。

第一性原理分子動力學方法(Car-Parrinello)。第一性原理分子動力學方法(CP) 就是在正確描述電子狀態和作用于各原子間的力的基礎上進行分子動力學模擬的方法。與經典分子動力學方法中把電子系與離子系相互獨立地進行計算相比，其特點在于將兩者以統一的形式進行處理和計算。

蒙特卡羅方法(Monte-Carlo)。MC 方法又稱為隨機抽樣技術或統計實驗方法，它以概率論和數理統計學為基礎的，通過統計實驗來實現目標量的計算。其基本思想是求解數學、物理化學問題時，將它抽象為一個概率模型或隨機過程，使得待求解等于隨機事件出現的概率值或隨機事件的數學期望值。

有限元法。有限元法是一種常規的數值解法，它是將連續介質采用物理上的離散與片分多項式插值來形成一個統一的數值化方程，非常方便計算機求解。該方法實質上是完成兩個轉變:從連續到離散和從解析到數值，因此可解決大多數力學問題、凝固模擬和晶體的塑性模擬等。

分子動力學方法(Molecule Dynamics)。分子動力學方法(MD) 是按該體系內部的內稟動力學規律來計算并確定位形的轉變。它把多粒子體系抽象為多個相互作用的質點，建立一組分子的運動方程，通過直接對系統中的一個個分子運動方程進行數值求解，得到每個時刻各個分子的坐標與動量，即在相空間的運動軌跡，再利用統計計算方法來確定多體系統的靜態特性和動態特性，從而得到系統的宏觀性質。

4 結語

發展新型建筑材料，節約資源與能源，降低污染，提高工業廢棄物的利用率，符合我國可持續發展的戰略思想，新型建筑材料的設計與研發是21世紀最重要、最有發展潛力的領域之一。按照材料設計的理論方法與計算方法，依托不斷發展的強大計算機功能，材料的設計與研發已成為當今熱門行業。今后的材料設計應重點注意原材料的循環利用，材料使用過程中的環保，節能等方面的問題。

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