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  科学通报
 
科学通报
2013年 58卷 35期
刊出日期:2013-12-24

当前新材料的开发主要依靠传统经验式的试错法, 致使材料开发无法跟上工业产品的设计和制造步伐. 2011年, 美国政府率先启动了旨在加速新材料开发应用、保持全球竞争力的材料基因组计划. 该计划将发展一个集成计算模拟、实验和数据库为一体的材料创新平台, 致力于建立材料的成分/工艺-组织结构-性能之间的定量关系. 这种定量关系是贯穿材料从发明发现、设计表征、制备生产、服役回收整个周期的主线, 是材料研发的核心. 本专辑围绕材料基因组计划中计算模拟、实验和数据库3个方向展开. 计算模拟包括第一性原理计算、分子动力学模拟以及计算热力学、动力学等. 实验技术在传统表征测试方法的基础上, 向高通量和亚埃分辨、皮米精度的原子结构尺度扩展. 根据实验和计算模拟结果, 逐步建立和完善材料设计基础数据库和信息数据库, 进一步促进实验和计算模拟在精确度、效率方面的提升. 封面显示了这三大方向的紧密结合(外圈), 其目标是建立材料的成分/工艺-组织结构-性能之间的定量关系(内核), 加速材料的研发和应用. 详见“材料基因组计划”专辑.


 
   
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专辑: 材料基因组计划

Hot!

徐匡迪
摘要
  科学通报, 2013, 58(35): 3617-3617
全文 : PDF (323 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

关于材料基因组的基本观点及展望 Hot!

刘梓葵
目前多组元材料的数据库把基于不同晶体结构的单个相作为材料的基因组. 如果单个相内在的特定构型随外界条件而改变, 那么这些具体的构型应该被看作是材料的基因组.
摘要

通过几个相关的研究项目,展示了作者关于材料基因组(Materials Genome®)的基本观点. 目前多组元材料的热力学和动力学数据库包含有单个相的吉布斯自由能函数和原子迁移率,它们是温度、成分以及压力(某些情况下)的函数. 这种数据库的构建方式是把基于不同晶体结构的单个相作为材料的基因组(组成模块). 作者认为,如果单个相其内在的特定构型,比如磁自旋构型和铁电极化,随着温度、应力和磁场、电场而显著改变,那么这些具体的构型反而应该被看做是单个相的基因组. 一个特定相的“变异”是受这个相稳定和亚稳组态之间的混合熵,即“结构组态熵”(structural configurational entropy,SCE)所控制的. 这种不同组态之间的混合也是导致单个相异常行为的内在原因. 通过改变材料成分来控制不同单个组态的性质的能力是实现材料设计的关键所在.

  科学通报, 2013, 58(35): 3618-3622
全文 : PDF (1213 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

晶体材料基因组问题第一原理计算研究 Hot!

王绍青, 叶恒强
简述了材料基因和材料基因组研究的起源、科学内涵和研究意义, 及其对于材料科学和人类社会发展所可能产生的影响. 介绍了采用第一原理计算研究晶体材料基因组相关问题的工作进展.
摘要

美国总统奥巴马于2011年6月发布了主要依靠先进计算机科学运算能力,以较小投入实现新材料研发速度倍翻为目标的材料基因组国家研究计划. 根据对该问题的认知程度,本文首先简要地讨论了材料基因和材料基因组的起源、科学含义和研究意义,及其材料基因组研究对于材料科学和人类社会发展所可能产生的重要影响. 然后,介绍了本课题组近10余年来所进行的采用第一原理计算方法研究晶体材料基因组相关基础问题的一些工作进展情况;重点介绍了晶体结构优化,弹性模量、电子与介电参数、晶体热膨胀系数等物理参数的计算,以及固体相变和固体中的粒子输运性质模拟等方面的第一原理计算理论研究方法的实现技术;讨论了相关研究针对低维晶体材料的算法扩展问题.

  科学通报, 2013, 58(35): 3623-3632
全文 : PDF (676 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

材料基因组与相图计算 Hot!

ÅGREN John
材料基因组可定义为通过仔细评估实验数据和量子力学的计算结果而获得, 以热力学语言描述的信息. CALPHAD数据库可用于预测材料的组织、加工和使用条件对结构的影响, 是材料基因组计划研究的要素.
摘要

作为新型药品和医疗手段的发展基础,在过去10年间人类基因图谱的绘制获得了巨大的研究经费支持. 2011年6月,美国总统奥巴马宣布了结合计算模拟和先进材料数据库的材料基因组计划(MGI). 遗憾的是,在公告中对材料基因组仅仅给出了一个相当模糊的定义. 材料基因组的定义与生物基因组类似,对于特定的材料,它的性能取决于其化学成分(储存在基因组中的固有特性)和使用环境(外部交互作用、加工处理、使用条件). 基于此,材料基因组可以定义为一组通过仔细评估实验数据和量子力学的计算结果而获得的,以热力学语言描述的信息,从中可以得到材料的相关结论. 相图计算(CALPHAD)数据库包含材料体系的热力学和动力学性质. 这些数据库可以用于预测材料的组织结构以及加工和使用条件对结构的影响,是集成计算材料工程(ICME)的主要组成部分.

  科学通报, 2013, 58(35): 3633-3637
全文 : PDF (450 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

相场模拟与材料基因组计划 Hot!

陈龙庆
材料设计是通过控制其相变和组织演变过程来实现的. 相场法已成为模拟多种材料的三维组织演变的一种可选方法. 本文简述了相场法在材料基因组工程中可发挥的潜在作用.
摘要

预测和调控材料的组织演变是材料科学和工程的“圣杯”. 许多重要工程材料的设计均是通过控制其相变和组织演变过程来实现的,例如通过固态形核析出反应提高镍基高温合金和铝基时效强化合金的机械性能,通过控制铁电晶体的相变达到其介电和机电效应的耦合以及通过马氏体相变得到形状记忆合金的记忆效应等. 相场法已成为模拟多种材料三维组织演变的一种可选方法. 本文将简要论述相场法在材料基因组工程中有望发挥的潜在作用.

  科学通报, 2013, 58(35): 3638-3641
全文 : PDF (361 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

基于CALPHAD方法的摩尔体积建模 Hot!

何燕霖, 鲁晓刚, 朱娜琼, SUNDMAN Bo
讨论了基于CALPHAD方法, 从纯物质到多元多相材料体系、从低温到熔点以上、从常压至高压范围描述摩尔体积的各类体积模型的建立方法.
摘要

摩尔体积、密度、热膨胀系数、弹性常数、热导率等是材料的基本物理性质. 针对这些物理性质建立的数据库是材料设计基础数据库的重要组成部分. 热力学数据库为动力学模拟提供相变驱动力和相平衡数据,同样地,物理性质数据库也可为动力学和组织模拟提供必要的物理参数,如体积、点阵常数、点阵错配度、弹性能和界面能等数据. 使用基于相图计算(CALPHAD)方法建立的物理性质数据库结合热力学数据库,可以在计算多元多相材料体系的相平衡、组成相的相分数和相成分以及热力学性质的同时,获得体系中各组成相和体系总体的物理性质. 本文详细讨论了从纯物质到多元多相材料体系、从低温到熔点以上、从常压至高压范围描述摩尔体积的各类体积模型的建立方法.

  科学通报, 2013, 58(35): 3642-3646
全文 : PDF (502 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

材料基因组计划中的高通量实验方法 Hot!

赵继成
高通量高空间分辨率的材料性能测试方法可在具有成分梯度的扩散多元节上快速高效地获得成分-相-结构-性能的关系, 从而为建立材料性能数据库提供必需的实验结果.
摘要

材料基因组计划中的材料创新基础设施主要由3部分组成:计算工具、实验工具和数据库. 本文将介绍一些实验工具,特别是高通量高空间分辨率的材料性能测试方法及其应用. 利用这些实验工具进行材料性能测量,可以在具有成分梯度的样品如扩散多元节试样上快速高效地获得成分-相-结构-性能的关系,从而为建立材料性能数据库提供必需的实验结果. 同时也可以发现一些异常效应并结合微区取样分析和理论计算来解释这些异常效应,以提高模型的预测能力. 目前已经可以从微米尺度快速测定材料的一些性能,如硬度、弹性模量、热导率、比热容和热膨胀系数等,更多的材料性能微米尺度的测试方法正在开发中,这些高通量的实验方法将是材料基因组计划的重要内容之一.

  科学通报, 2013, 58(35): 3647-3655
全文 : PDF (885 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

计算热力学、计算动力学与材料设计 Hot!

鲁晓刚, 王卓, CUI YuWen, 金展鹏
介绍了计算热力学和计算动力学的基本理论、应用、发展现状, 以及该集成计算方法及其数据库在材料基因组计划和材料设计中的重要作用.
摘要

自20世纪50年代发展起来的计算热力学从早期的计算机耦合相图和热化学性质(CALPHAD-CALculation of PHAse Diagram,或Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry),逐渐向动力学领域扩展,建立起有机集成了计算热力学理论的以多元扩散相变模拟、形核析出模拟和相场模拟为特色的计算动力学方法. 同时,结合实验数据、第一性原理计算、统计学方法及经验半经验理论,运用CALPHAD优化评估技术,建立适用于多元多相材料的热力学、动力学以及物理性质的材料设计基础数据库. 这种面向多元多相材料体系的计算热力学、动力学方法和专用数据库的结合,使模拟真实材料的相变过程和显微组织结构演化成为可能. 进一步以计算热力学、动力学为桥梁,将电子、原子和分子等微观尺度和宏观层次的计算模拟联系起来,构建多尺度集成计算平台,建立多元多相材料的成分工艺-组织结构-性能之间的定量关系,加速材料的开发和应用. 这是新材料理性设计和定制的崭新手段,也是集成计算材料工程(ICME)和材料基因组计划(MGI)的目标. 本文将介绍计算热力学和计算动力学的基本理论、应用、发展现状及前景展望.

  科学通报, 2013, 58(35): 3656-3664
全文 : PDF (657 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

石墨烯材料的电子功能化设计:第一原理研究进展 Hot!

司晨, 陈鹏程, 段文晖
石墨烯因其新奇的电子性质在很多领域展现出了丰富的应用前景. 第一原理计算研究可以帮助人们对石墨烯材料进行有效的功能化调控与设计, 以满足不同的应用需求. 本文回顾了这一领域的主要理论和相关实验进展.
摘要

石墨烯因其独特的电子性质在纳米电子学、功能材料、生物、能源等领域展现出了丰富的应用前景. 第一原理计算研究可以对石墨烯材料进行有效的电子功能化设计,从而为实验上进行有目的合成或表征提供可靠的理论依据和指导. 本文从晶格缺陷、边缘功能化、表面吸附掺杂和界面调控等4个方面总结了对石墨烯材料进行功能调制的主要理论进展. 同时,也回顾了一些相关的实验进展.

  科学通报, 2013, 58(35): 3665-3679
全文 : PDF (4569 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

计算扩散动力学在稀有金属材料研究和设计中的应用 Hot!

CUI YuWen, XU GuangLong, CHEN Yi, 唐斌, 李金山, 周廉
评述了计算扩散动力学在钛及锆合金等稀有金属材料研究中的最新进展, 阐述了计算扩散动力学与计算热力学、定量相场模拟等结合用于优化和设计稀有合金及其热处理工艺的研究.
摘要

计算扩散动力学(computational diffusion kinetics,CDK)因采用与计算热力学(comput-ational thermodynamics,CT)或称为CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)技术相同的Redlich-Kister外推数学模型并与其高度集成,从而可以准确提供多元合金的扩散动力学信息,因此在合金材料的成分设计和微观组织控制中起着日益重要的作用. 本文综述了计算扩散动力学在以钛及锆合金为代表的稀有金属材料研究中的最新进展,阐述了计算扩散动力学与计算热力学、定量相场(phase field)模拟以及三维统计计算(3D statistical calculation)结合用于设计(α+β)钛6-4合金热处理工艺的研究.

  科学通报, 2013, 58(35): 3680-3691
全文 : PDF (1109 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

镍基单晶高温合金中γ’相筏化行为的相场法研究进展 Hot!

赵彦, 张洪宇, 韦华, 郑启, 金涛, 孙晓峰
回顾了镍基单晶高温合金γ′相析出与筏化行为的相场研究进展, 总结了形核论、CALPHAD 数据库及微观弹塑性力学在相场法中的应用, 展望了近工况条件下γ′相筏化相场研究的未来.
摘要

形核理论、相图计算(CALPHAD)数据库及微观弹塑性力学的发展,使镍基单晶高温合金热处理、疲劳、蠕变等近工况条件下γ’相筏化行为的相场模拟成为可能. 基于镍基单晶高温合金γ’相筏化行为的实验研究进展,结合相场法对γ’析出及筏化行为的组织模拟结果,本文综述了相场模型研究镍基单晶高温合金中γ’筏化行为的主要研究进展.

  科学通报, 2013, 58(35): 3692-3703
全文 : PDF (1690 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

半导体集成与封装中基于微观组织的多物理场耦合模拟 Hot!

黄智恒, 熊桦, 伍智勇, CONWAY Paul, DAVIES Hugh, DINSDALE Alan, 恩云飞, 曾庆丰
电子封装正快速向三维系统集成方向发展, 在材料基因组计划背景下, 本文提出基于材料微观组织的多物理场耦合模拟方法和集成平台来辅助未来的三维系统集成可靠性设计.
摘要

半导体技术与封装正向系统集成方向加速发展. 在未来的系统集成中,将会同时设计和制造封装与晶片的制备. 但是,材料的因素,尤其是微观组织,至今还不在电子封装的集成产品设计平台考虑之列,究其原因是电子封装使用的材料众多而且发生的材料现象复杂. 在材料基因组计划(MGI)的背景下,本文综述一系列的研究工作,旨在建立材料微观组织与其在多物理场作用下的响应关系. 采用热力学计算、突变界面模型、相场法和晶体相场法的手段来预测微观组织. 在预测的微观组织基础上,对超细电子互连进行线弹性力学分析和电迁移仿真. 提出采用基于奇异值分解的方法来提取微观组织特征,发现微观组织特征指标随电子互连尺寸的增大而单调递减. 基于人工神经网络的拟合揭示了微观组织指标与超细互连中平均von Mises等效应力之间的非线性关系. 本文最后展望了考虑微观组织的随机性以及由此而导致的电子互连可靠性上的离散性的研究工作.

  科学通报, 2013, 58(35): 3704-3716
全文 : PDF (7389 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

亚埃分辨与皮米精度原子结构的实验测量与计算 Hot!

朱静, 于荣
结合高分辨电子显微镜实验与密度泛函第一原理计算能够从时间与空间两个尺度加深对材料的原子结构的理解, 促进原子层次的材料设计, 并介绍了其在氧化物表面结构领域的应用.
摘要

晶格缺陷不仅是材料中不可避免的结构单元,更是影响材料性能重要的,甚至决定性的因素. 相对于周期性的晶体结构,晶格缺陷的原子构型由大量原子的坐标决定,这给实验测量带来很大困难. 对计算材料学而言,多参数的全局优化也是一个经典的难题. 计算设计所得的结构与其相应的性能是否能实现,需要实验验证. 本文以近期对氧化物表面的研究工作为例,介绍了像差校正电子显微学与第一原理计算相结合在分析晶格缺陷的原子结构方面的重要作用. 通过定量高分辨电子显微镜实验在亚埃分辨对缺陷的原子构型进行皮米精度的测量,并运用第一原理计算在原子尺度研究材料的电子结构与动态行为. 二者相辅相成,从时间与空间两个尺度都能加深对材料的原子结构的理解和认识,推进原子层次的材料设计.

  科学通报, 2013, 58(35): 3717-3721
全文 : PDF (520 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

钛铝中<011]超位错的非对称形核及运动的分子动力学模拟 Hot!

徐东生, 王皞, 杨锐, SACHDEV Anil K
原子模拟发现沿相反方向剪切时, 有序的钛铝金属间化合物中超位错的形核与运动具有非对称性; 依取向不同, 超位错可呈现2, 3, 4重分解; 超位错开动可有多重临界剪切应力.
摘要

钛铝金属间化合物具有优异的高温性能,但室温脆性限制了其广泛应用. 为探寻脆性的解决办法,需在原子尺度上理解其变形机理. 作为位错与孪晶机制系统研究的一部分,本文采用分子动力学及静力学方法模拟了钛铝<011]超位错的形核与运动. 研究发现,与普通无序合金不同,有序的钛铝金属间化合物中沿正反[011]方向剪切时,超位错表现出非对称行为. 分析表明,这种差异源自与面心立方结构相比钛铝的L10有序化使晶格对称性降低,导致沿相反方向剪切时呈现不同的屈服应力、应变、位错芯的分解及位错运动规律. 沿[011]剪切变形时,晶体中4根偏位错在同一滑移面上相继形核,构成同心椭圆形超位错环. 超位错芯由4根肖克莱偏位错及将其隔开的3种广义层错组成. 超位错环扩张过程中其分解方式依赖于其在环上的部位(位错取向)及剪切方向. 刃取向及附近的超位错呈4重分解,60°附近逐渐转变为3重分解,最后在30°附近变成2重分解. 超位错开动可具有不同的临界剪切应力,与启动时的分解方式及剪切方向有关,当SISF领先时其临界应力较低.

  科学通报, 2013, 58(35): 3722-3732
全文 : PDF (7924 KB)  
专辑: 材料基因组计划 | 材料科学

材料基因组框架下的材料集成设计及信息平台初探 Hot!

王卓, 杨小渝, 郑宇飞, 雍岐龙, 苏航, 杨才福
阐述了材料集成设计和材料信息平台的构建设想, 从材料基础设计与材料多源、异构知识管理的角度出发, 讨论了材料集成设计在材料基因组创新框架中所起的作用.
摘要

材料基因组计划的基本理念在于采用集成的计算平台、实验平台及数据平台用于材料的创新. 本文将主要阐述材料集成设计和材料数据平台的构建设想,从材料基础设计与材料知识管理的角度出发,讨论了材料集成设计在材料基因组创新框架中所起的作用,材料数据系统的发展趋势以及海量、多源,异构材料数据的知识化管理和描述方法,并且以钢铁为示范材料,探讨了新一代材料信息平台的建设思路.

  科学通报, 2013, 58(35): 3733-3742
全文 : PDF (1324 KB)  
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