在線材料數(shù)據(jù)庫進展與NIMS／MatWeb案例研究

高志玉，劉國權

（1北京科技大學 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083；2遼寧工程技術大學 材料科學與工程學院，遼寧 阜新 123099；3北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100083）

伴隨材料學科的不斷發(fā)展，形成并積累了大量科學數(shù)據(jù)，如何有效利用這些數(shù)據(jù)，獲取潛在的有價值信息，是材料研究學者重點關注的問題。由此形成了材料領域新學科分支——材料信息學［1］。它是建立在信息學基礎之上的，利用計算機技術、網絡技術等，對材料科學數(shù)據(jù)進行組織、分析與傳播，以實現(xiàn)材料信息的提取，轉化與共享的新型交叉學科［2，3］。材料數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)是材料信息學的主要研究內容之一。材料數(shù)據(jù)庫在新材料設計［4］、材料選擇［5］、工藝制定與材料性能預測［6］、產品設計［7］以及安全評估［8］等方面發(fā)揮的作用越來越大，對計算材料學的發(fā)展也起到了重要的促進作用［9］。

材料領域早期的數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)多為離線或局域網方式使用。目前，Granta公司開發(fā)的“劍橋選材系統(tǒng)CES”仍是這方面的主流代表［10，11］。隨著計算機軟硬件發(fā)展以及網絡性能的提升，基于Web技術的材料在線數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)大量出現(xiàn)，在各個工程領域得到重要應用。本文主要介紹近年來材料領域新出現(xiàn)的、具有一定影響力的網絡材料數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)，并對著名的在線材料數(shù)據(jù)庫NIMS和MatWeb從數(shù)據(jù)內容、檢索策略以及檢索結果的處理等方面進行分析和比較。旨在為材料科學研究人員提供更多更廣的數(shù)據(jù)資源信息，進一步發(fā)揮材料信息在科學研究中的重要作用。

1 國外在線材料數(shù)據(jù)庫進展

國外材料數(shù)據(jù)庫建設起步早，特別是美國、歐洲以及日本等工業(yè)發(fā)達國家［12］，材料數(shù)據(jù)庫已在科學研究及工程技術領域得到了廣泛應用。

美國的 MatWeb數(shù)據(jù)庫［13］，是提供材料性能信息、生產制造信息的綜合材料數(shù)據(jù)庫。美國國家標準與技術局（NIST）建有 WebSCD（Structural Ceramics Database），WebHTS（High Temperature Superconducting Materials Database）數(shù)據(jù)庫，提供在線數(shù)據(jù)檢索以及數(shù)據(jù)評估功能［14］。美國佛羅里達國際大學極端材料研究中心構建了含有2500多種固態(tài)材料熱化學性能以及物理性能的數(shù)據(jù)庫，用于研究成分、結構、組元性能對固態(tài)材料性能的影響［15］。該數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)主要由SQL結構化查詢語言數(shù)據(jù)庫、Web客戶端數(shù)據(jù)檢索以及基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘、元素分析計算應用程序三部分組成。

歐洲三國（西班牙、意大利、法國）構建了核聚變鉛－鋰共晶材料數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)［16］。荷蘭構建了高溫核反應堆材料數(shù)據(jù)庫（MatDB）及文獻管理數(shù)據(jù)庫（DoMa）［17，18］，數(shù)據(jù)庫提供了核反應堆材料在低溫、高溫環(huán)境下的熱力學性能和熱物理性能數(shù)據(jù)。歐洲聚變材料性能在線數(shù)據(jù)庫［19］具有數(shù)據(jù)下載、瀏覽、檢索以及提交等多種功能，而且數(shù)據(jù)內容涵蓋原始試驗數(shù)據(jù)、專家認證數(shù)據(jù)以及相關電子報告等。粉末冶金數(shù)據(jù)庫PM Database［20］，是一個全球化免費粉末冶金材料性能數(shù)據(jù)庫。英國倫敦大學學院建成了功能陶瓷材料在線數(shù)據(jù)庫［21］，其數(shù)據(jù)源于科學文獻以及相關科學實驗，致力于構建一個通用性強、自由訪問的陶瓷材料數(shù)據(jù)庫，提供材料基本信息檢索，基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)可視化以及輔助新材料設計等功能。

日本國立材料科學研究院NIMS材料數(shù)據(jù)庫是一個多功能可跨庫檢索的綜合性材料數(shù)據(jù)庫 。另外，日本政府資助建立的碳／環(huán)氧樹脂復合材料環(huán)境抗力與持久性數(shù)據(jù)庫已由原來以光盤為傳播載體，發(fā)展為基于Web的在線數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)［23］。韓國建立了關于金屬材料、化工材料、陶瓷材料的在線數(shù)據(jù)銀行［24，25］。印度甘地原子研究中心（IGCAR）整合了印度研究院所和高校的材料科學數(shù)據(jù)，構建在線材料數(shù)據(jù)庫，提供關于材料力學性能、腐蝕性能、無損評估、熱、光性能等數(shù)據(jù)服務［26，27］。

2011年6月，美國提出了“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative，MGI），開發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺是這項計劃中的重要組成部分，這對于整合科學數(shù)據(jù)，構建在線材料數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)具有重要促進與導向作用。

2 中國在線材料數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀

20世紀70年代，數(shù)據(jù)庫技術傳入中國，各科研院所逐步建立了大量不同規(guī)模、不同領域的材料數(shù)據(jù)庫［28］。進入新世紀，材料數(shù)據(jù)庫進一步完善發(fā)展，提出了新科技條件下材料數(shù)據(jù)庫體系框架的構建方法［29］，材料數(shù)據(jù)及其衍生的材料信息在科學研究中起的作用越來越不可替代［30］。大連交通大學開發(fā)了特種異質材料（復合材料、功能梯度材料等）設計數(shù)據(jù)庫，提供了異質材料設計所需組元材料的各種性能數(shù)據(jù)［31］。北京科技大學建立了材料服役安全評價數(shù)據(jù)共享平臺［32］，基于該平臺，研究人員可以獲得最新的材料服役安全準則，工程技術人員可以獲得決策支持。而遼寧科技大學與日本埼玉工業(yè)大學合作研發(fā)的熱軋工藝與材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提供熱軋材料與工藝性能方面的數(shù)據(jù)，填補了這一領域的空白［33］。中國科學院金屬研究所建立的材料數(shù)據(jù)庫含有7個子庫，分別是高溫合金、鈦合金、納米材料、精密管材、焊接工藝、材料腐蝕以及材料失效分析［34］，這些數(shù)據(jù)庫可應用于新合金設計、工藝模擬和失效分析等方面。

我國的國家科技基礎條件平臺“材料科學數(shù)據(jù)共享網”建設項目于2005年論證公示、2010年正式啟動［35］（項目號2005DKA32800），下設7個子項目（材料科學數(shù)據(jù)共享服務平臺、有色金屬材料及特種合金數(shù)據(jù)共享資源結點、黑色金屬材料數(shù)據(jù)共享資源結點、復合材料數(shù)據(jù)共享資源結點、有機高分子材料數(shù)據(jù)共享資源結點、材料基礎數(shù)據(jù)共享資源結點、無機非金屬及其他材料數(shù)據(jù)共享資源結點設計與建設），以整合、重構現(xiàn)有的、較為成熟的材料科學數(shù)據(jù)資源為基礎，建立滿足國家建設、教育、科研等不同領域需求的跨部門跨地區(qū)、多層次、異構分布、有序共享的材料數(shù)據(jù)體系，并初步建成了物理上分散、邏輯上統(tǒng)一的材料科學數(shù)據(jù)管理平臺于互聯(lián)網上試運行（http：／／matsec.ustb.edu.cn／）。“材料科學數(shù)據(jù)共享網”以北京科技大學為中心，目前已集合了分布在全國各地的30余家科研單位的海量數(shù)據(jù)資源，整合各類材料科學數(shù)據(jù)已達六十多萬項，為國家基礎條件建設提供了雄厚的材料科學數(shù)據(jù)資源共享服務與應用支撐。例如，由北京科技大學創(chuàng)建、中國鋼研科技集團有限公司（原鋼鐵研究總院）合作建設的“黑色金屬材料數(shù)據(jù)共享資源中心”（http：／／steeldata.ustb.edu.cn／），可以提供材料基礎數(shù)據(jù)、成分性能數(shù)據(jù)、工藝性能數(shù)據(jù)、粉末冶金數(shù)據(jù)以及國家標準數(shù)據(jù)等的瀏覽、檢索、下載以及數(shù)據(jù)提交等服務，以及材料淬透性的網上計算預測等諸多功能［36］。復合材料數(shù)據(jù)共享資源結點則由西北工業(yè)大學等單位承建，包含樹脂基復合材料性能數(shù)據(jù)、金屬基復合材料性能數(shù)據(jù)［37］。中國科學院化學所負責的高分子材料數(shù)據(jù)共享資源結點正在構建中，該庫幾乎包含所有的常見聚合物材料類型，如塑料、橡膠、纖維、涂料、黏結劑等等，可以查詢相關材料的化學結構、聚合信息、制備工藝以及應用等［38］。另外，依托北京科技大學建設的“國家材料環(huán)境腐蝕野外科學觀測研究平臺”（內含“國家材料環(huán)境腐蝕（老化）科學數(shù)據(jù)共享服務網”）已于2011年11月作為首批國家科技基礎條件平臺通過了科學技術部與財政部的認定。材料數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)共享平臺的大力建設，對于改善國內材料科技基礎條件、提高材料科技創(chuàng)新能力與競爭能力提供了保障和科學數(shù)據(jù)支撐。

3 NIMS和MatWeb在線材料數(shù)據(jù)庫

3.1 數(shù)據(jù)庫概況

3.1.1 NIMS材料數(shù)據(jù)庫

2001年，日本國立材料科學研究院（NIMS）組建材料信息技術研究所（MITS），將旗下所建的11個材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行整合，建立綜合檢索系統(tǒng)“MatNavi”，于2003年4月實現(xiàn)Internet在線訪問。2010年7月再次優(yōu)化改版。該數(shù)據(jù)庫應用平臺具有單賬戶登錄、跨庫檢索功能［39］。目前NIMS網站注冊用戶已經超過80063個，分別來自于149個國家的21228個組織機構［40］。基于Internet，NIMS致力于提供研發(fā)新材料、材料性能預測與評估、對比選材等所必需的數(shù)據(jù)信息，努力構建世界最大、最全的材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。用戶只需在網站注冊登記，即可擁有訪問數(shù)據(jù)庫所有數(shù)據(jù)的權利。

3.1.2 MatWeb在線材料信息資源

MatWeb創(chuàng)建于1996年，致力于建立全球最廣泛的在線材料性能數(shù)據(jù)資源平臺［41］。MatWeb提供強勁有力的數(shù)據(jù)檢索功能，可以進行材料數(shù)據(jù)的并列比較。MatWeb還具有第三方軟件特定數(shù)據(jù)格式的輸出功能，提供了單位換算、金屬與塑料的硬度轉換以及工程材料術語表等在線實用工具。MatWeb用戶分為未注冊用戶、免費注冊用戶和付費注冊用戶。用戶類型不同，數(shù)據(jù)訪問權限及數(shù)據(jù)處理功能將有所差異。

3.2 數(shù)據(jù)庫服務內容

3.2.1 NIMS數(shù)據(jù)服務

NIMS材料數(shù)據(jù)庫內容涵蓋聚合物、無機非金屬材料、金屬材料、超導材料、復合材料以及擴散等內容，是世界最大、最有影響力的專業(yè)材料數(shù)據(jù)庫之一。

目前，NIMS含有數(shù)據(jù)庫及應用系統(tǒng)達20個。包括8個材料基本性能數(shù)據(jù)庫、3個工程應用數(shù)據(jù)庫、5個在線結構材料數(shù)據(jù)表以及4個數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)（見表1）。

3.2.2 MatWeb數(shù)據(jù)服務

據(jù)MatWeb官網說明，其數(shù)據(jù)90%源于制造商實驗測試、10%源于專業(yè)手冊或專業(yè)協(xié)會。目前，Mat－Web數(shù)據(jù)庫主要包含11大類的材料數(shù)據(jù)，分別是ABS樹脂聚合物性能數(shù)據(jù)、縮醛樹脂（POM）工程性能數(shù)據(jù)、鋁合金、復合材料、銅合金、純元素、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、鋼、鈦合金等性能數(shù)據(jù)。各類材料數(shù)據(jù)分布如圖2所示。數(shù)據(jù)記錄數(shù)是評價數(shù)據(jù)庫服務質量高低的指標。MatWeb總數(shù)據(jù)記錄數(shù)高達98000項，而且還在不斷增加中。按材料類別統(tǒng)計，數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

3.3 檢索功能分析

檢索功能的好壞是評價數(shù)據(jù)庫質量的重要指標。NIMS與MatWeb數(shù)據(jù)庫的檢索功能在檢索方式、檢索途徑、檢索策略等方面各有差異，具體見表2。

3.3.1 NIMS的檢索功能

NIMS的注冊用戶可使用跨庫檢索平臺MatNavi檢索數(shù)據(jù)，檢索方式有關鍵字檢索、樹形檢索。此外，NIMS各子庫也提供了基于其自身內容而開發(fā)的特征檢索方式。

MatNavi的樹形檢索屬于瀏覽型檢索模式，系統(tǒng)根據(jù)用戶所選擇的“樹節(jié)點（材料類別或性能節(jié)點）”，以其為關鍵字進行便捷檢索，缺點是不能進行邏輯檢索（見圖4）。

3.3.2 MatWeb檢索功能

MatWeb數(shù)據(jù)庫涵蓋范圍廣，數(shù)據(jù)量龐大，為了能夠更加高效便捷的檢索數(shù)據(jù)，MatWeb提供了基于數(shù)值、基于類別和基于內容的三大檢索模式，在此基礎上又細化為10種具體檢索方式，如圖5所示。

表1 NIMS數(shù)據(jù)庫服務內容Table 1 The contents of NIMS materials database

圖1 PolyInfo，AtomWork，CompES和SuperCon數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分布圖Fig.1 The data distribution map for PolyInfo，AtomWork，CompES and SuperCon

圖2 基于數(shù)據(jù)類別的MatWeb數(shù)據(jù)分布圖Fig.2 The distribution map of MatWeb based on the data type

圖3 MatWeb數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)項分布圖Fig.3 The distribution map of data items of MatWeb database

表2 NIMS和MatWeb數(shù)據(jù)庫檢索功能比較Table 2 Comparison of search function of NIMS and MatWeb database

圖4 MatNavi樹形檢索界面Fig.4 Tree search interface of MatNavi

基于數(shù)值的檢索模式是指檢索的執(zhí)行過程需要用戶選擇檢索限制指標（最多3項）并輸入數(shù)值約束（如性能指標的最大值、最小值等），系統(tǒng)返回符合約束的材料列表。數(shù)值檢索模式下的高級檢索，是依據(jù)用戶輸入的文本、選定的材料性能以及設定的數(shù)值約束、材料的類別等條件進行的綜合數(shù)據(jù)檢索。

MatWeb的依據(jù)類別進行檢索功能與MatNavi樹形檢索形式相近，同屬于瀏覽型檢索。其中，按材料種類進行檢索的功能，用戶可直接選擇希望查看的材料及其詳細性能信息。對于按制造商、商品名稱和金屬UNS編號（金屬與合金統(tǒng)一編號系統(tǒng)）的類別檢索，MatWeb依照英文字母順序分組列表，保證了檢索效率。

圖5 MatWeb系統(tǒng)檢索模式Fig.5 Search mode of MatWeb system

快速檢索的依據(jù)是關鍵詞、短語等文本內容。檢索結果默認返回與輸入文本精確匹配的記錄。用戶也可以擴展檢索結果，這是通過系統(tǒng)自動添加連接詞“AND”、“OR”以及通配符來完成的。MatWeb在每個Web頁面右上方設置了快速檢索入口，方便快捷。

3.3.3 檢索結果的輸出形式

檢索結果的展現(xiàn)形式是衡量數(shù)據(jù)庫質量的另一個重要指標。好的數(shù)據(jù)庫，對檢索結果的處理應該是醒目、便捷、簡單。

3.3.3.1 NIMS檢索結果處理

圖6是NIMS數(shù)據(jù)庫MatNavi檢索引擎的檢索結果實例。系統(tǒng)收到用戶檢索請求后，首先返回被檢關鍵字在各個子數(shù)據(jù)庫中命中的記錄數(shù)（圖6（a））；單擊“Preview”，可進一步了解該子數(shù)據(jù)庫中符合檢索條件的信息列表（圖6（b）），最后單擊某信息鏈接，即可查看詳細內容。

圖6 MatNavi檢索結果界面Fig.6 Interface of search results of MatNavi

3.3.3.2 MatWeb檢索結果呈現(xiàn)模式

盡管MatWeb提供了多種檢索模式，但對檢索結果的處理是一致的，從而降低了用戶操作難度。圖7為一檢索實例，設定了材料的延伸率和拉伸屈服強度約束。檢索結果頁面可以劃分為3個區(qū)域：系統(tǒng)功能區(qū)、材料列表區(qū)和屬性顯示區(qū)。功能操作區(qū)提供了檢索記錄的顯示方式和材料對比瀏覽功能。材料列表區(qū)是符合檢索條件的材料列表，點擊相應的材料名稱，即可瀏覽關于該材料的物理性能、力學性能、電性能、熱性能、化學成分等信息。

檢索結果并列展示（圖8）、可視化對比（圖9）、結果排序和數(shù)據(jù)導出等服務是MatWeb提供的獨具特色的功能，為材料研究人員、工程師選材提供了有力手段。

圖7 MatWeb檢索結果實例Fig.7 Example of search result of MatWeb

圖8 MatWeb的材料對比瀏覽功能Fig.8 Comparison browse of materials of MatWeb

3.4 檢索功能橫向對比

綜上所述，NIMS與MatWeb數(shù)據(jù)結構不同，因此二者檢索方式以及對檢索結果的處理有較大差異。NIMS跨庫檢索功能簡單、便捷，但針對性不強，通常需要用戶根據(jù)檢索目標進一步篩選，獲得所需數(shù)據(jù)信息。NIMS的子庫特征檢索功能強大，但因為子庫內容不同，子庫特征檢索功能風格迥異，對用戶提出了更高要求。相比之下，MatWeb雖提供了數(shù)10種檢索方式，但從數(shù)據(jù)結構來看，具有一定的統(tǒng)一性，因此檢索功能易于掌握，檢索準確率較高。NIMS材料數(shù)據(jù)庫內容豐富，從微觀組織結構到宏觀性能；從科研基礎數(shù)據(jù)到工程應用，決定了其檢索結果表現(xiàn)形式的多樣性。MatWeb材料數(shù)據(jù)庫主要收錄各類材料性能信息，檢索結果一目了然，具有數(shù)據(jù)可視化以及對比瀏覽等特色功能。用戶需根據(jù)使用需求合理選擇數(shù)據(jù)庫并選擇檢索方式，從而達到快速準確獲得有價值信息。

圖9 可視化數(shù)據(jù)對比圖表Fig.9 Visualization comparison chart of different materials

4 結束語

NIMS和MatWeb作為當前具有較大影響力的在線材料科技基礎信息提供機構，對于開展材料科學研究與工程應用起到了重要基礎作用。二者數(shù)據(jù)內容豐富、數(shù)據(jù)規(guī)模較大，檢索系統(tǒng)功能強大，在數(shù)據(jù)資源特色及數(shù)據(jù)類型方面，具有互補性。

NIMS，MatWeb及各大在線材料數(shù)據(jù)庫日益得到各國、各研究機構的高度重視，各個國家、機構正大力完善、發(fā)展具有本國特色的在線材料數(shù)據(jù)庫。隨著信息科學與技術的發(fā)展，為滿足材料科學與工程的研究需要，在線材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展將呈現(xiàn)下列特征：

（1）數(shù)據(jù)類型更豐富、數(shù)據(jù)規(guī)模更大

材料學科分支多、交叉性強。作為科學基礎數(shù)據(jù)平臺，必然要求在線材料數(shù)據(jù)庫類網站提供更全更廣的數(shù)據(jù)信息。

（2）在線數(shù)據(jù)應用程序種類更多，功能更完善

更多的基于在線數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)應用服務（如數(shù)據(jù)評估、數(shù)據(jù)預測、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)可視化等）與數(shù)據(jù)瀏覽、檢索集成，功能更強大。

（3）建立健全規(guī)范的數(shù)據(jù)整合標準

數(shù)據(jù)庫建庫標準以及相應的數(shù)據(jù)采集、評估策略將進一步完善與發(fā)展，這是數(shù)據(jù)資源整合的必然要求。

（4）一站式服務

充分利用已有數(shù)據(jù)資源，改善用戶體驗、基于Web集成的一站式在線數(shù)據(jù)信息服務將是最佳模式。

（5）在線數(shù)據(jù)服務模式多樣化

材料科學數(shù)據(jù)共享是一項公益性極強的科技資源共享服務，保持這種服務得以長期有效運行，需要從服務模式、運行機制等方面（如免費服務、商業(yè)運行、政策支持）尋找合適的平衡點，滿足不同用戶使用需求。

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