材料基因工程ppt课件.pptx

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1、陆文聪上海大学理学院材料基因工程1材料设计的概念所谓的“材料设计”，是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。材料设计的层次微观设计层次：空间尺度约在lnm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次：典型尺度约在1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。材料设计核心问题材料是按照何种原子或配方、何种方式堆积或搭配，通过何种工艺制备，才具有何种特定的物理和化学性质，

2、即材料结构（或配方、工艺）与性质（性能）的关系问题。材料设计的发展方向将材料科学与物理、化学基本原理（包括量子化学）与数据挖掘等方法相结合，对材料设计的相关数据进行计算、分析和加工处理，建立辅助新材料、新物质研制的专家系统（包括知识库、材料设计、工艺寻优、成本控制和服役行为优化等），正在成为新材料设计的主流发展方向。计算机辅助材料设计的三个层次1)材料的微观结构与性能的关系，从量子化学、固体物理、结构化学等角度探索研制新材料、新物质的新思想和新概念；计算机辅助材料设计的三个层次2)从相图、热力学和动力学性质出发，探索新

3、型合金、氧化物、熔盐等新材料及其制备方法的革新；计算机辅助材料设计的三个层次3)运用模式识别、人工神经网络、支持向量机等数据挖掘方法，结合数据库和知识库，总结材料结构与性能（性质）的关系、配方及工艺条件与材料性能或生产技术指标（成品率、能耗等）的关系等规律，用于材料制备和加工的优化。9传统的材料研究方法工艺寻优成本控制材料制备性能表征服役行为新材料探索系统集成性能优化……经验积累循环试错以大量的材料制备为中心，强调经验积累；被动的性能表征；经验与不断的循环试错而提高性能：实验寻优。2019年6月24日，奥巴马宣布“先进

4、制造业伙伴关系”计划（AMP计划）(超5亿美元)，以期通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业。材料基因组计划是AMP的核心内容。目标是帮助美国企业发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，从而促进美国制造业的复兴，保持美国的全球竞争力。10材料基因组计划通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分，晶体结构和各种物性的数据库；利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息，拓宽材料筛选范围，

5、集中筛选目标，减少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优化和测试周期，从而加速材料研究的创新。“材料基因组工程”内涵阐释11集中国内材料计算与模拟领域优势力量，通力合作，努力实现如下关键目标跟上并引领国际材料领域新一轮发展的浪潮。开发高通量的第一性原理计算程序包；建立“材料科学系统工程”数据库，搜索引擎和分析软件；建立极材料设计、合成、快速表征、测试、改进等物性平台；与企业界建立合作互动。12香山会议建议13中科院材料基地“十二五”重点培育方向：集成计算材料工程（ICME）IntegratedComputation

6、alMaterialsEngineeringICME是一门新兴的学科，集材料知识库、设计与计算、制备工艺寻优、生产成本控制以及服役行为评价等多种计算环节于一体，其目的是集成材料计算科学的工具，使其成为一个集成系统，以加速材料发现到应用的研发速度。知识库材料设计服役行为工艺寻优成本控制材料制备性能表征ICME的主要思路材料制备性能表征构建“集成计算材料工程”研究平台，形成完整研究链，实现从“实验寻优”向“系统寻优”转变。材料合成制备器件集成微观机制与结构-性能关系微结构表征性能测量多尺度材料模拟材料设计材料基础数据集成与

7、知识库原子尺度介观尺度宏观尺度尺度问题光电材料热电材料储能节能材料铁电压电复合材料透明陶瓷器件设计结构功能一体结构设计力热稳定性系统集成服役失效机制工艺寻优ICME的考虑思路Initiativeoverview