计算材料学的计算方法

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计算材料学涉及材料的各个方面,如不同层次的结构、各种性能等等,因此,有很多相应的计算方法。在进行材料计算时,首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择,必须了解材料计算方法的分类。目前,主要有两种分类方法:一是按理论模型和方法分类,二是按材料计算的特征空间尺寸(Characteristic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构,材料的用途不同,决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如,对结构材料来说,影响其力学性能的结构尺度在微米以上,而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米,甚至是电子结构。因此,计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法,材料计算的时间尺度可从10-15秒(如分子动力学方法等)到年(如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟)。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象,均有相应的材料计算方法。

目前常用的计算方法包括第一性原理从头计算法,分子动力学方法,蒙特卡洛方法,元胞自动机方法、相场法、几何拓扑模型方法、有限元分析等。