2022年材料与计算机科学 .pdf

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1、材料与计算机科学 姓 名：陈*学 号：14170210004 指导教师：朱*专 业：应用化学 日 期：2017、5、22名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -一、材料与计算机的双向发展1、材料技术 材料科学是一门实验科学，实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。而由于计算机技术、计算理论的迅速发展，许多更加复杂、大型的计算成为可能，使得在材料研究领域采用计算方法来研究材料的结构和性能，并指导实验研究成为一种新的研究方向。计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。2、计

2、算机技术 对于计算机技术而言，首先应当提到的是人们可以利用计算机网络来实现对国内外信息进行快速、便捷和高质量的处理能力，并借此来达到对他们自身精神生活质量不断提高的目的。其次计算机在工业上的应用也不容小觑，尤其是无人工厂问世的当今，世纪计算机所扮演的角色已不可替代，它通过对自身的通信技术和程序编程的不断完善来完成工业生产中自动化、信息管理、集成制造以及辅助设计等功能。最后，在现代教育方面，随着多媒体网络教学的凸起，计算机对辅助老师完成高质量的课堂教学、提高工作效率的影响力已越来越大。就整个多媒体网络教学而言不仅能够使教师的作用等到充分发挥，而且还在一定程度上使教学活动变得更加生动、具体、有趣。

3、3、计算机于材料 计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试于新材料的设计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，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能指导实验研究成为一种新的研究方向。计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接研究领域中的具体应用。4.材料于计算机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -从1940年代末期 晶体管问世以来，电子工业 始终以基础材料科学为先导，日新 月异，材料科学与工程在电子工业的成 长中扮演 了极重

4、要 的角色。高 纯度及 几乎无缺陷硅晶 的生长，靠“区段纯化”及“柴氏拉伸 法”才得已实现，因而促成微电子工业的 全面发展。其他各种处理材料的工艺步骤，以及各种 物性、结构、成分及 缺陷的分析，无一不与材料的工艺及分析息息相关。近年来集成 电路晶圆 大型化及 器件单元微 小化的 趋向，使产品的良品率不断提高，是 促使集成 电路价格 不升反降 的主要原因。但也使工艺 步骤日益精细复杂，生成 缺陷的机会也增加。各 电路器件 基组尺寸缩小，缺陷对它的不 良影响也 相对增加。要维持 一定的 良品率，对材料科学是莫大的挑战。微电子工业在现代工业中居关键枢纽地位，而 居于微电子材料中 心地位 的硅晶也因此

5、有“新 钢铁”之誉。二计算机在材料科学中应用1.计算机用于新材料的设计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，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求设计最佳的制备和加于新材料的设计。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，或者通过理论与设计来“订做”具有 特定性能指导实验研究成为一种新的研究方向。计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接研究领域中的具体应用。借助于计算机可推动材料研究构设计。材料设计 主要是利用人工 智能、模 式识别、计算机模拟、知识库 和数据库等技术，将物理、化学理论和大 批杂乱的实验 资料沟通起来，用

6、归纳和演绎相结合的方 式对新材料的研制作 出决策，为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。材料设计按照设计对 象和所 涉及的 空问尺寸可分为电子层次、原子、分子 层次的微观结构设计和 显微 结构层次材料的结构设计。材料设计 主要是利用人工 智能、模 式识别、计算机模拟、知识库 和数据库等技术，将物理、化学理论和大 批杂乱的实验 资料沟通起来，用 归纳和演绎相结合的方 式对新材料的研制作 出决策，为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -2.材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对 真实系统模拟实验、提供模拟结果，指导新材料

7、研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程，包括合成、结构、性能制备和使用等。计算机模拟是一种 根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。通过将模拟结果与实 际体系的实验 数据 进行比较，可以 检验模型的 准确 性，也可以 检验出模型导 出的解析理论所作的 简化近似是否成功，还可为现实模型和实验 室中无法实现的 探索模型做详细 的预测并提供方法。3 材料与工艺过程的优化及自动控制材料加工技术的发展主要体现在 控制技术的 飞速发展，微机和可编程控制器(PLC)在材料加工过程中的应用正体现了这 种发展和 趋势。在材料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳 动强度

8、，更能 改 善产品的质量和精度，提高产量。用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全 过程进行 控制。在材料的制备中，可以对过程进行精确的控制，例如材料表面处理(热处理)中的 炉温控 制等。计算机技术和微电 子技术、自动控制技术 相结合，使工艺设备、检测手段的 准确性和精 确度等大大提高。控制技术也由最 初的简单顺 序控制发展到 数学模型在 线控制和统计过程控制，由分 散的个别控 制发展到计算机 综合管理与 控制，控制水平提高，可靠性得到充分 保证。4 计算机用于 数据 和图像 处理材料科学研究在实验中可以获得大量的实

9、验 数据，借助计算机的 存储设备，可以大量 保存数据，并对 这些数据 进行处理(计算、绘图，拟合分析)和快速 查询等。材料的性能与其凝聚态结构有 密不可分的 关系。其研究手段 之一就是 光学显微镜 和电子显微镜 技术，这些技术以 二维图像 方式表述材料的 凝聚态结构。利用计算机图像 处理和分 析功能就可以研究材料的结构，从 图像中获取 有用的结构信息，如晶体的大小，分 布，聚集方式等，并 将这些 信息和材料性能 建立相 应的 联系，用来指导结构的研究。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -三、材料在计算机科学中的应用1、信息 储存 材料 21世纪是以信息产业为

10、核心的知识经济时 代。随着信息技术向数字化、网络化的迅速发展，超大容量信息传 输、超快实时信息处理和 超高密度信息 存储已成为信息技术 追求 的目标。信息的 载体正由电子向 光电子结合和光子方向发展。与此 相应，信息材料也从体材料发展到薄层、超薄层微结构材料，并 正向光电 信息功能集成 芯片 和有机，无机复合材料以及纳米结构材料方向发展。历史发展 表明，信息功能材料是信息技术发展的基础和先导。没有硅材料和 硅集成 芯片的问世，就不 会有今 天微电 子技术；没有光学纤维 材料的发 明、砷化镓材料的 突破、超晶格 和量子 阱材料的研制成功以及 半导体激光器 和超高速器件的发展，就不 会有今天先进的

11、 光通信、移动通信和 数字化高速信息网络技术。可以预料，基于量子效应的纳米信息功能材料的发展和应用，必将触 发新的技术 革命，并将深刻地 影响着世界的政治、经济、军事对抗格局 和彻底地改 变人类的生产和生活方 式。2、介电 材料电介质材料可用于 控制、存储电荷 及电能，在现代 电子及电力系统中具有重要的战略地位。人们对 介电材料的研究最 初是从无机 压电陶瓷 材料开始的，无机 压电陶瓷 材料具有高 介电常数 和高热电稳 定性，但其脆性大、加工温度较高。随着信息和 微电 子工业的 飞速发展对 半导体器件微 型化、集成化、智能化、高 频化和平面化的应用 需求增 加，越来越多的 电子元件，如介质基板

12、、介质天线、嵌入式薄膜电 容等，既要介电 材料具备优 异的介电性能，又要 其具备 良好 的力学性能和加工性能。因此，单一的无机 介电材料已经不能 满足上述要求。具有高 介电性能的有机功能 电介质材料可用于制备高 储能密度介质，在 脉冲 率及电子封装技术等 军民 用领域有着 引人瞩目的实用 前景。3、光电 子材料 在20 世纪 90 年代全球掀 起的纳米科技浪潮 推动下，纳米半 导体光电子材料、纳米 磁性材料、纳米陶瓷 材料和 纳米生物材料等 纳米材料应 运而生。纳米材料是指 尺寸为 1100nm 的各种 固体材料。纳米 材料晶粒尺寸名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共

13、6 页 -小、晶界多，具有多种 限域效应，在 磁、光、电、热、力和化学等方面 会呈现出许多奇异的特性，例如半 导体硅不发 光，但纳米硅 能发出耀眼的蓝光；具有尖峰 形状电子态 密度的 纳米 Inga As量子 点材料可制作 低阈值 电流密度激光器；纳米陶瓷 具有像金属一样的柔韧和可加工性；纳米 金属颗粒遇到空气就会燃烧爆炸（这种颗粒可用于制作 固体火箭燃 料），这些性能使该材料在 电子、化工、机 械和航空航天等方面具有广泛的应用价值。科学家们提出了制作纳米 卫星的设想，其重量为小于 0.1，总共648 颗纳米卫星 就可保证在任何时刻对地球上任何点 的连续覆盖。2010年世界纳米 材料 市场规 模将达到 1.44 万亿美 元。纳米技术、信息技术、材料技术和生 物技术被列为 21 世纪的 四大科学技术。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -