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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 l微观设计层次：空间尺度约在l nm量 级，是原子、电子层次的设计； l连续模型层次：典型尺度约在1m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； l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，即材料结构（或配方、工 艺
2、）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
3、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 l 以大量的材料制备为中心，强调经验积累； l 被动的性能表征； l 经验与不断的循环试错而提高性能：实验寻 优。 l2011年6月24日，奥巴马宣布 “先进制造业 伙伴关系” 计划（AMP计划）(超5亿美元) ，以期通过政府、高校及
4、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。 l 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 l 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； l 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，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。
5、“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。 l 开发高通量的第一性原理计算程序包； l 建立“材料科学系统工程”数据库，搜索引擎和分析 软件 ； l 建立极材料设计、合成、快速表征、测试、改进等物 性平台； l 与企业界建立合作互动。 12 香山会议建议 13 中科院材料基地中科院材料基地“ “十二五十二五” ”重点培育方向：重点培育方向： 集成计算材料工程（集成计算材料工程（ICMEICME） Integrated Computational Materials Engineering IC
6、ME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 ICMEICME的主要思路的主要思路 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 ICMEICME的考虑思路的考虑思路 Initiative overview
