新材料设计中的计算机技术应用

[摘 要]随着材料科学与计算机技术的不断发展，两个学科之间的联系日益密切。计算机技术中的人工智能技术可用于新材料的设计与研发工作，计算机模拟技术也已广泛应用于各种材料成型工艺。此外，材料和工艺过程的优化和自动控制也可以通过计算机技术实现，计算机技术在新材料的开发和设计中发挥着越来越重要的作用，其实力和作用不容小觑，在日后的研究工作中，我们应该注重对计算机技术的利用，结合优势来更好地发展材料科学。

[关键词]材料科学;计算机技术;工业生产

如今，随着材料科学研究的不断深入和应用的日益广泛，其在工业生产中发挥着越来越重要的作用。材料科学研究不仅在传统材料的应用方面取得了重大进展，而且在新材料的研究方面也取得了很大的进步。作为信息时代的基本工具，计算机在我们生产和生活的各个领域都发挥着至关重要的作用。在材料科学的相关研究中所起的作用也变得越来越重要，例如，测量钢铁工业中的高炉温度，监测高炉中流体的运动并推测高炉的使用寿命等。如今，中国大多数行业都在向精细化和完整化方向发展，对计算机的需求也在不断增加。因此，不可否认的是，计算机技术在材料科学中具有广阔的应用前景。将计算机技术，如计算机模拟技术，数值计算技术和三维可视化仿真技术应用于材料科学领域，将极大地促进材料科学领域的研究和生产。

计算机技术可用于设计新材料。通常，设计新材料的步骤是：通过理论分析和计算预测新材料的组成成分，结构外观和性能。然后结合材料设计方案制造具有特定性质或结构的新材料。 材料设计主要通过反复试验和大面积筛选完成，需要花费较长的时间和大量的人力物力。因此，如今人们越来越多的使用人工智能技术识别计算机中预先建立的知识库和数据库，并总结大量的物理化学理论和实验数据，将其作为理论辅助，并结合实验验证的方法来进行材料设计。

此外，计算机模拟技术也发挥了重要作用。计算机模拟技术已广泛应用于各种材料成型工艺，包括液态成型、塑性成型、接头成型、高分子材料成型、粉末冶金成型和复合材料成型。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用使得材料工艺从定性描述慢慢过渡为定量预测，为材料加工和新工艺的开发提供理论基础和首选解决方案，对于制造模式有着重要的作用。灵活地使用计算机模拟方法，是进行新材料的性能预测与设计的首要问题。所谓的模拟方法，即建立一种科学方法，用类似于自然现象的模型间接研究原始规律性。计算机模拟作为一种重要的科学研究手段，已应用于学术研究的诸多方面，取得了丰硕的成果。

近年来，计算材料科学取得了显著的进步，其在材料科学与工程领域中日益广泛的应用令人兴奋。不同空间和时间尺度的材料建模，数值计算和视觉模拟已成为研究的一个分支，有时甚至起着无法比拟的关键作用。 工作表明，使用数值分析和可视化定量计算机模拟来研究材料的微观结构不仅显著促进了材料科学的发展，还在验证和改进体视学的相关理论及模型的方面发挥着重要作用。就体视学和计算材料科学之间的关系而言，材料的微观结构是多种多样的，并且会或多或少地偏离体视学原理适用的假设条件。一方面，体视学基于统计模型，表达一种平均的概念，但是材料中的显微结构大多数不是均匀分布。如何通过低维组织结构参数的不均匀性来衡量高维空间的相应非均匀性是体视学面临的一个大问题。另一方面，材料的微观结构随着外部条件（如温度，时间，压力等）而变化，而体视学分析是静态的，无法给出显微组织在二维及以下空間与三维空间中演化规律的动态对应关系。与上述体视学的局限性相比，计算机模拟具有明显的优势。使用三维可视化仿真技术，可以通过其他方式虚拟生成最接近实际材料组织结构的模型。充分利用计算机科学与技术，特别是现代先进的计算机图像处理技术，可以根据需要容易地剖取三维仿真组织不同空间取向的截面、进行三维直接测量，这不仅直接提供了组织三维表征参量，而且可以更准确地找到相应的二维截面表征参量。这为验证体视学相关方法的可靠性创造了极其科学和方便的条件。

自20世纪80年代初以来，材料显微组织模型化和演变过程的仿真主要集中在材料科学问题的分析上。可以预期，如果采用微结构的模拟设计来指导高科技材料的制备，可以减少大量的试验性试验，并且可以显著缩短材料的开发周期。这与国际上工程材料和工业产品的性能逐渐提高，而成本却日益下降的趋势不谋而合。

材料和工艺过程的优化和自动控制也可以通过计算机技术实现。近20年来计算材料学的快速发展，在材料科学与工程领域起到了不小的推动作用。一方面，协助理论研究，深入理解一些重要的材料学现象，如扩散，相变，沉淀，再结晶，超塑性等; 另一方面，模拟技术已经发展到一定程度，可以智能地设计实验，甚至能够取代一些实验，使研究工作更加严谨和有效。

总之，计算机技术在新材料的开发和设计中发挥着越来越重要的作用。 计算机技术的实力和作用不容小觑，在日后的研究工作中，我们应该注重对计算机技术的利用，结合它的优势来更好的发展材料科学。

参考文献：

[1]李芸华，王艳丽.计算机在材料科学领域方面的应用[J].信息记录材料，2018，19（10）：31-32.

[2]武晓君，杨金龙.材料的理性设计与计算模拟[J].中国科学基金，2018，32（01）：85-86.

[3]田博.计算机技术在材料科学中的应用[J].电子技术与软件工程，2016（4）：164.

[4]刘利民.材料基因工程：材料设计与模拟[J].新型工业化，2015，5（12）：71-88.

[5]汪雁.新世纪计算机技术发展展望[J].电子制作，2014（16）：105.