基于项目式教学的计算材料学实验设计——锂离子电池正极材料LiFePO_(4)第一性原理计算

为培养学生材料计算思维,本文采用项目式教学方法,以锂离子电池正极材料LiFePO_(4)研究案例设计一个第一性原理计算综合实验。本实验设计包括晶体结构建模、结构优化、电子结构计算、锂离子扩散性质计算、后处理分析等操作步骤,帮助学生掌握第一性原理计算基本原理、流程和分析方法,实现理论方法水平和软件操作技能的双重提升。

“新工科”背景下计算材料学课程教学的改革与实践

为满足“新工科”建设的要求,对计算材料学课程进行教学改革与实践。通过理论实验的一体化结合、引入面向实际应用的实验设计以及过程化的考核方式来提升教学效果,使学生能够借助计算模拟来分析和解决不同尺度下的材料学问题。改革实践措施提高了学生自主思考、团队协作和创新思维的能力,建立起符合“新工科”建设需要的人才培养模式,可以作为多学科交叉和融合式教学的新范式。

基于集成计算材料工程的新型碳化铀核燃料设计

极端条件下的材料物性对于新一代装备关重部件金属材料的优化设计和效能评估至关重要。但是,极端环境实验测量昂贵、复杂,不确定性因素较多,仅仅依靠实验难以系统全面地评估材料的物性参数。因此,迫切需要发展极端条件下高通量、多尺度的集成计算材料工程关键技术。多元碳化物作为一类新型核燃料,因其高熔点、高硬度、高温稳定等优异的物理化学性能受到国内外极大的关注。通过高通量第一性原理计算对(UNb)C、(UZr)C和(UTa)C的热力学性质进行了系统研究,基于极端材料集成计算平台(ProME)局域化学环境近似方法(SAE)和平均场势(MFP 2)方法,进行了多组元体系建模和热力学特性的计算。揭示了不同掺杂元素对体积模量、熵、吉布斯自由能、晶格热导率等基础物性的作用规律,为新型核燃料的成分设计提供了重要数据参考。

人工智能背景下Materials Project数据库在计算材料学课程教学中的应用

该文探讨了在人工智能背景下,Materials Project数据库在计算材料学课程教学中的应用和影响。Materials Project数据库是一个集成了AI和大数据技术的开放获取的材料库,能为学生提供海量的材料晶体结构和物性数据,使教学内容更为丰富,让学生能通过亲自操作获取和分析数据,深入理解微观结构与物性之间的关系。这一新兴的教学模式不仅提升了学生的科研能力和创新思维能力,还有助于培养具备计算材料专业知识和多学科交叉的复合型人才。总体来说,人工智能时代下,大数据的引入为计算材料学课程带来新的活力,并对未来教育改革和实践产生了积极影响。

计算材料学在摩擦学课程教学中的改革与实践

摩擦学专业人才培养是发展高端特种装备的重要抓手,摩擦学课程教学是摩擦学专业研究生培养体系中的关键环节。摩擦学作为一门涉及物理、化学、材料等多学科交叉的综合学科,仅通过传统照本宣科的教学方法很难实现摩擦学专业人才培养的目的。本研究通过将计算材料学应用到摩擦学课程教学中,结合课程特点和研究生具体方向,以研究生科研能力培养为导向,优化教学内容,构建“三位一体”的教学模式,建立新型的多元化课程考核体系,极大增强了学生的创新意识与学习兴趣,提升了学生的综合素养。

集成计算材料工程及其在镁合金铸造和热处理方向上的应用探索

集成计算材料工程(ICME)是材料开发与应用的革新模式,其定义为计算工具中获取的材料信息与工程产品性能分析和制造过程模拟的集成。自ICME概念提出以来,航空航天、汽车和船舶工业在应用ICME方面取得了显著进展。本文对上述进展进行了比较全面的综述,在此基础上介绍了作者课题组在构建镁合金铸造和热处理ICME框架方面的研究进展,包括镁合金凝固枝晶生长的元胞自动机(CA)和相场(PF)建模、共晶和第二相的X射线断层扫描表征、时效过程析出相的相场建模,以及可用于预测铸态组织晶粒尺寸和第二相体积分数、时效组织中析出相的数量密度、尺寸、体积分数和屈服强度的解析模型。最后对ICME的应用前景进行了展望并提出了建议。

计算材料学在自修复涂层领域的研究进展

自修复防腐涂层是指在遭受环境或外力损伤破坏后,可以自行修复从而仍具备良好防腐性能的一种新型智能材料。自修复涂层的设计方法主要是通过基于实验的树脂链段设计、填料设计和制备工艺调控,获得具有良好修复性能的防腐材料。近年来,计算材料学技术飞速发展,其利用热力学计算和动力学模拟来预测并设计新材料的结构和性能,是连接材料学理论与实验的桥梁。自修复防腐涂层的理论计算研究有利于理解微观层面的自修复行为,指导自修复防腐涂层的制备与性能优化,并大幅度降低成本。综述了计算材料学在自修复防腐涂层领域的研究进展,介绍了目前基于外援型和本征型两种自修复防腐涂层体系研究的多种计算方法,主要包括分子动力学、密度泛函理论计算、蒙特卡罗模拟和有限元分析等。这些计算方法可以从微观和宏观角度对防腐涂层体系进行直观的机理解释和性能预测。动态键所进行的交换反应及自愈过程、微胶囊的破裂及愈合剂的释放过程、缓蚀剂在基底的吸附方式和吸附强度等都能在自修复防腐涂层的理论研究中得以体现。分析了这些计算模拟方法在自修复涂层方面应用的优势与不足,为自修复防腐涂层的开发与应用提供了理论支持。未来将进一步加强计算模拟、实验研究、人工智能、大数据分析和机器学习技术的深度融合,建立涂层自修复性能数据库,更高效地进行材料筛选和设计,从而在自修复涂层的研究和应用中实现突破。

“计算材料学”课程教学改革探索

目前,国内外许多高等教育机构在“计算材料学”课程的教材选择和知识点构建上相对传统,而材料信息学的快速发展,特别是机器学习和大数据方向的发展,为计算材料学的未来发展指明了新的方向,因此亟需开展基于材料信息学的“计算材料学”课程改革。以吉林大学为例,通过引入新的教学理念、教学素材、教学工具和教评方法,打造融合传统多尺度计算方法和新兴人工智能手段的特色课程,为“计算材料学”课程的体系建设、材料学人才培养和材料科学的快速高效发展贡献力量,并为国内外“计算材料学”课程体系的设计提供了有益借鉴。

OBE教育模式下的应用型课程教学改革研究--以计算材料学课程为例

计算材料学是一门跨学科课程,其所具有的理论性和应用性特征无法有机统一,使得“学以致用”的教育目标难以实现。文章试图将基于学习结果和产出为导向的OBE教育理念引入计算材料学课程,并结合学生自身科研课题来优化和筛选教学内容,改革教学方式方法,提高学生学习动力,帮助学生更快更好地进入研究课题。

CoCalc云平台辅助的计算材料学教学探索与实践

含有编程类知识的理工科课程的教学往往会遇到程序环境配置繁、代码调试难、知识点与代码脱节、师生交互性差等问题。针对计算材料学课程项目研究式教学存在的难点,课程教学团队借助CoCalc云平台,并结合线下教学的模式,解决了实践环境配置、代码调试、师生互动等教学环节问题,激发了学生利用便捷的云平台展开探究性学习的兴趣,完成了互融式教学设计,变晦涩、抽象和枯燥的学习为直观、形象和有趣的学习,提升了学生的学习体验感和获得感,为理工科实践类课程的教学提供了新思路、新模式。

“计算材料学”双语教学探索与实践

“计算材料学”是连接理论和实验研究的桥梁,是材料类专业一门与实践高度结合的课程。通过对“计算材料学”课程的学习,可以加深对材料的结构、性质和反应机理的认识,通过分析计算结果可以引导实验,学生会理性地设计实验。为了顺应高水平、国际化人才培养要求,结合教学实际,对“计算材料学”课程进行了双语教学改革。改革重点突出国家需求导向,适应学科和专业的发展要求,注重创新型、复合型人才的培养要求。从教学理念、课程内容、课堂教学、课堂考核等方面进行了教学改革探索与实践。

集成计算材料工程在固体润滑领域的应用

摩擦是涉及数学、物理和材料学等学科的一门复杂的交叉学科。集成计算材料工程是将计算材料科学工具集成为一个整体系统并把设计和制造统一起来,可充分发挥其综合解决问题的优势,加速先进固体润滑材料的开发和优化工程设计的过程。本文从新材料研发的理论驱动范式出发,介绍了Prandtl-Tomlinson和Frenkel-Kontorova经典摩擦模型。应用这些模型,总结了本团队在原子尺度模拟计算中二维润滑材料的磨损及润滑机制方面的研究进展。从数据驱动的机器学习角度,通过分析润滑和耐磨损2种性能案例,综合人工智能在材料摩擦性能方面的研究逻辑和特点。基于新材料研发范式的逻辑,讨论集成计算材料工程在固体润滑领域的应用,突出集成多尺度计算模式对揭示结构超滑的机制具有重要意义。

研发铝合金的集成计算材料工程

用于铝合金的集成计算材料工程是将微观(10-10~10-8m)、细观(10-8~10-4m)、介观(10-4~10-2m)和宏观(10-2~10 m)等多尺度计算模拟和关键实验集成到铝合金设计开发的全过程中,通过成分-工艺-结构-性能的集成化,把铝合金的研发由传统经验式提升到以组织演化及其与性能相关性为基础的科学设计上,从而大大加快其研发速度,降低研发成本。本文详细阐述了原子尺度模拟、相图计算、相场、元胞自动机和有限元等计算模拟方法及微结构表征和性能测定的实验方法,论述了其在铝合金研发中所发挥的具体作用。基于集成计算材料工程,提出了从用户需要、设计制备和工业生产3个层面研发铝合金的具体框架。通过2个应用实例,展示了集成计算材料工程在铝合金研发中的强大功能,这也为新型铝合金及其它新材料的设计和开发提供了新模式。

研发硬质合金的集成计算材料工程

用于研发硬质合金的集成计算材料工程是将微观(10^(-10)10^(-8)m)、细观(10^(-8)10^(-4)m)、介观(10^(-4)10^(-2)m)和宏观(10^(-2)10 m)等多尺度计算模拟和关键实验集成到硬质合金设计开发的全过程中,通过成分-工艺-结构-性能的集成化分析,把硬质合金的研发由传统经验式提升到科学设计,从而大大加快硬质合金材料的研发速度,降低研发成本.本文详细阐述了第一性原理计算、CALPHAD方法、相场模拟和有限元模拟等计算模拟方法及各种微结构表征和性能测定的实验方法,论述了其在硬质合金研发中所发挥的具体作用.基于集成计算材料工程,提出了从用户需要、设计制备和工业生产的3个层面研发硬质合金的具体框架.通过应用实例,展示了集成计算材料工程在新型硬质合金研发中的强大功能,为新型硬质合金的设计和开发提供了新模式.

计算材料学与材料设计

由于传统材料科学面临着研究对象的复杂性及新的实验手段和仪器难以满足研究条件等问题， 计算材料学用于研究复杂材料和材料设计受到重视。本文针对材料研究的发展趋势， 介绍了计算材料学的研究范畴及材料设计的基本思想。然后， 介绍了用计算材料学进行材料设计的理论依据、研究方法、结构分析技术等相关内容。

基于混合式教学法的计算材料学系列课程教改实践

计算材料学系列课程是高校材料专业的主要课程之一,是介绍关于材料组成、结构及性质的计算机模拟与设计的课程。通过此课程的学习,可使学习者了解和掌握材料计算和模拟的基础知识,进而具备利用计算模拟方法进行材料科学研究的能力。然而,计算材料学课程内容中包含大量的理论性概念知识,复杂的数学公式、算法和高阶的理论推导,采用传统的单向授课方法,学习思考难度大、理解存在偏差,影响学习积极性和主动性,导致整体教学效果差强人意。基于此,开展了基于混合式教学法的计算材料学系列课程教学改革的探索和实践。通过引入混合式教学理念,在实际教学过程中采用线上线下混合教学、多媒体教学和虚拟现实技术等多种方式,不但强调了教师的"传授知识"功能,而且实现了学生作为学习主体的角色定位,并将研究性教学模式引入课堂,引导学生结合科研项目去理解、掌握计算材料学的知识点。实践证明,这一系列的教改探索取得了初步效果,它有效地把学习者的学习由浅到深地引向深度学习,为高校相关专业课堂教学改革提供了借鉴和参考。

计算材料学课程的教学改革与实践

计算材料学是材料类专业学生学习材料设计的基本原理、将材料学专业理论与实践有效地结合起来的一门重要课程。然而由于课程本身的特点以及其他客观的因素,学生在学习过程中容易出现畏难、兴趣不高等的现象。我们结合教学实践,提出紧密联系课程的起源与发展过程对该课程进行综合教学改革的思路,通过引入新型课堂模式,讲述课程起源、发展及其与其他学科的交叉,分析该课程知识的实际应用等方面的案例来激发学生的学习兴趣及热情,提高课程的教学效果。

昆明贵金属研究所计算材料学科的发展

介绍了昆明贵金属研究所计算材料学科20多年的发展过程和历程。详细介绍了各发展阶段中计算材料学在贵研所材料研究中在非晶态、势函数、高温材料、电接触材料、材料加工与成形,功能材料等领域开展过的主要研究工作以及取得的主要成果。预测了未来该学科的发展方向以及发展建议。

浅谈计算材料学实验的教学设计与实施

计算材料学实验教学是材料实验教学体系中的重要组成部分。由于涉及众多学科、理论知识复杂、模拟体系范围广等特点,使得计算材料学实验的开展与实施存在较大的困难。文中以氮化钛的计算模拟为案例,从实验内容的选取、实验教学的开展以及实验结果的分析等方面阐述了笔者在计算材料学实验开展过程中的经验及体会。期望能对此类实验的有效开展提供有益的经验借鉴。

研究性教学模式的实践研究——以《计算材料学》课程为例

研究性教学是培养大学生学习能力、研究能力和创新能力的行之有效的手段.将研究性教学的理念应用于《计算材料学》课程的教学中,首先根据该课程的特点设计了开放性的问题,其次设计了小组评价、考核及成员互评方案,学生以小组形式完成任务.通过这种方式,培养学生的合作意识、团队精神及协作能力;通过教学与研究相结合,激发学生探索新知识的兴趣,培养学生分析问题、解决问题的能力,进而达到培养学生的研究能力和创新能力的目的.