新材料設計中的計算機技術應用

周冰潔

[摘 要]隨著材料科學與計算機技術的不斷發展，兩個學科之間的聯系日益密切。計算機技術中的人工智能技術可用于新材料的設計與研發工作，計算機模擬技術也已廣泛應用于各種材料成型工藝。此外，材料和工藝過程的優化和自動控制也可以通過計算機技術實現，計算機技術在新材料的開發和設計中發揮著越來越重要的作用，其實力和作用不容小覷，在日后的研究工作中，我們應該注重對計算機技術的利用，結合優勢來更好地發展材料科學。

[關鍵詞]材料科學;計算機技術;工業生產

如今，隨著材料科學研究的不斷深入和應用的日益廣泛，其在工業生產中發揮著越來越重要的作用。材料科學研究不僅在傳統材料的應用方面取得了重大進展，而且在新材料的研究方面也取得了很大的進步。作為信息時代的基本工具，計算機在我們生產和生活的各個領域都發揮著至關重要的作用。在材料科學的相關研究中所起的作用也變得越來越重要，例如，測量鋼鐵工業中的高爐溫度，監測高爐中流體的運動并推測高爐的使用壽命等。如今，中國大多數行業都在向精細化和完整化方向發展，對計算機的需求也在不斷增加。因此，不可否認的是，計算機技術在材料科學中具有廣闊的應用前景。將計算機技術，如計算機模擬技術，數值計算技術和三維可視化仿真技術應用于材料科學領域，將極大地促進材料科學領域的研究和生產。

計算機技術可用于設計新材料。通常，設計新材料的步驟是：通過理論分析和計算預測新材料的組成成分，結構外觀和性能。然后結合材料設計方案制造具有特定性質或結構的新材料。 材料設計主要通過反復試驗和大面積篩選完成，需要花費較長的時間和大量的人力物力。因此，如今人們越來越多的使用人工智能技術識別計算機中預先建立的知識庫和數據庫，并總結大量的物理化學理論和實驗數據，將其作為理論輔助，并結合實驗驗證的方法來進行材料設計。

此外，計算機模擬技術也發揮了重要作用。計算機模擬技術已廣泛應用于各種材料成型工藝，包括液態成型、塑性成型、接頭成型、高分子材料成型、粉末冶金成型和復合材料成型。計算機模擬技術在材料成形加工中的應用使得材料工藝從定性描述慢慢過渡為定量預測，為材料加工和新工藝的開發提供理論基礎和首選解決方案，對于制造模式有著重要的作用。靈活地使用計算機模擬方法，是進行新材料的性能預測與設計的首要問題。所謂的模擬方法，即建立一種科學方法，用類似于自然現象的模型間接研究原始規律性。計算機模擬作為一種重要的科學研究手段，已應用于學術研究的諸多方面，取得了豐碩的成果。

近年來，計算材料科學取得了顯著的進步，其在材料科學與工程領域中日益廣泛的應用令人興奮。不同空間和時間尺度的材料建模，數值計算和視覺模擬已成為研究的一個分支，有時甚至起著無法比擬的關鍵作用。 工作表明，使用數值分析和可視化定量計算機模擬來研究材料的微觀結構不僅顯著促進了材料科學的發展，還在驗證和改進體視學的相關理論及模型的方面發揮著重要作用。就體視學和計算材料科學之間的關系而言，材料的微觀結構是多種多樣的，并且會或多或少地偏離體視學原理適用的假設條件。一方面，體視學基于統計模型，表達一種平均的概念，但是材料中的顯微結構大多數不是均勻分布。如何通過低維組織結構參數的不均勻性來衡量高維空間的相應非均勻性是體視學面臨的一個大問題。另一方面，材料的微觀結構隨著外部條件（如溫度，時間，壓力等）而變化，而體視學分析是靜態的，無法給出顯微組織在二維及以下空間與三維空間中演化規律的動態對應關系。與上述體視學的局限性相比，計算機模擬具有明顯的優勢。使用三維可視化仿真技術，可以通過其他方式虛擬生成最接近實際材料組織結構的模型。充分利用計算機科學與技術，特別是現代先進的計算機圖像處理技術，可以根據需要容易地剖取三維仿真組織不同空間取向的截面、進行三維直接測量，這不僅直接提供了組織三維表征參量，而且可以更準確地找到相應的二維截面表征參量。這為驗證體視學相關方法的可靠性創造了極其科學和方便的條件。

自20世紀80年代初以來，材料顯微組織模型化和演變過程的仿真主要集中在材料科學問題的分析上。可以預期，如果采用微結構的模擬設計來指導高科技材料的制備，可以減少大量的試驗性試驗，并且可以顯著縮短材料的開發周期。這與國際上工程材料和工業產品的性能逐漸提高，而成本卻日益下降的趨勢不謀而合。

材料和工藝過程的優化和自動控制也可以通過計算機技術實現。近20年來計算材料學的快速發展，在材料科學與工程領域起到了不小的推動作用。一方面，協助理論研究，深入理解一些重要的材料學現象，如擴散，相變，沉淀，再結晶，超塑性等; 另一方面，模擬技術已經發展到一定程度，可以智能地設計實驗，甚至能夠取代一些實驗，使研究工作更加嚴謹和有效。

總之，計算機技術在新材料的開發和設計中發揮著越來越重要的作用。 計算機技術的實力和作用不容小覷，在日后的研究工作中，我們應該注重對計算機技術的利用，結合它的優勢來更好的發展材料科學。

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