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。

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。

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.

浅谈集成计算材料工程和材料基因工程：思想及实践

革新材料研发模式、加速材料研发进程并降低材料研发成本是世界各国共同关注的热点。集成计算材料工程和材料基因工程是近年来材料科学与工程领域新颖的理念和方法,二者均为新材料研究与开发带来了全新的认识与机遇。集成计算材料工程是材料基因工程的基本组成元素。材料基因工程主要包括高通量实验、高通量计算和材料数据库三大要素。材料基因工程将集成计算材料工程的理念扩展到了整个材料科学、技术与工程链条,贯穿于从新材料发现到应用的全部过程。作为新材料研发的新模式,集成计算材料工程和材料基因工程必将为新材料研发起到不可替代的作用。简要回顾了材料研究的发展历程及存在的主要问题,详细介绍了材料基因工程与集成计算材料工程之间内在联系与区别。通过4个应用实例(梯度硬质合金、CVD耐磨涂层、锂离子电池、铝合金),展示了集成计算材料工程和材料基因工程在材料研发中的强大功能,为材料设计和开发提供了新思路。最后展望了集成计算材料工程和材料基因工程未来发展的重点及趋势。

集成计算材料工程在精确塑性成形中的应用现状与发展趋势

集成计算材料工程通过模型化与计算实现对材料制备、加工和服役等过程的定量描述,成为实现力、热、电、磁、声场等单一/耦合外场作用下高性能构件精确塑性成形先进而有效的研究手段,近年来在精确塑性成形领域得到越来越广泛的应用。对集成计算材料工程在塑性成形过程多尺度建模、起皱和破裂两类缺陷预测方面的相关研究现状、主要进展及未来发展趋势进行了综述。首先论述了宏观、细观和微观三个尺度的模型在精确塑性成形领域中的应用现状,并分析了不同尺度模型间信息的传递方式;在此基础上讨论了利用集成计算材料工程研究制约精确塑性成形的起皱和破裂两类典型缺陷的预测方法,对比分析了目前主要的失稳起皱与损伤断裂模型的准确性;最后对集成计算材料工程在精确塑性成形中的未来发展趋势进行了展望。

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。

高模量镁基材料实验和集成计算研究进展

镁合金由于低密度、高比强度、高阻尼以及良好的导热性等突出优点,广泛应用于航空航天领域,但其低弹性模量限制了其在大型薄壁构件中的可靠应用。本文针对如何提高镁基材料模量性能的问题,简介影响合金模量的主要因素,比较相关计算模型如等应力应变模型、混合定律、Halpin-Tsai模型以及两相复合材料模型的优缺点和适用范围,概括镁基材料模量性能研究的现状与进展,梳理镁基材料模量提升的两大途径以及性能提升机理。基于集成计算材料工程,提出了原子-晶格尺度类高模量铝合金开发和机器学习辅助优化实验设计的高强度高模量镁基材料集成开发策略。

“计算机在材料工程中的应用”课程教学创新与探索

"计算机在材料工程中的应用"是材料类本科生的一门专业必修课程,传统教学模式很难提高学生的学习兴趣和学习效率,课本上的理论知识和当前材料科学研究实践相脱节。本文结合专业特点,开展从教学方法、教学内容以及培养学生创新能力的教学实践等方面对"计算机在材料工程中的应用"课程进行教学模式创新与探索。

《计算机在材料科学与工程中应用》课程混合式教学改革和实践

针对《计算机在材料科学与工程中应用》课程传统课堂教育模式中存在的问题,以线上和线下混合式教学方法重建了该课程的教学体系。从学情分析、教学环节和教学评价等方面对课程教学内容及组织实施情况进行设计,重点在教学环节中,课前、课中、课后将线上线下教学有机结合,既有面对面学习的互动交流,也有在线学习的灵活性;并通过线上各个阶段的数据统计和分析,了解学生的掌握情况,根据学生的个性特征与差异,调整教学方法。重视培养学生的自主学习能力和探究能力,提高学生的学习效率。

《计算机在材料科学与工程中的应用》课程教学探索

为适应材料领域高等教育的新形势,我校将《计算机在材料科学与工程中的应用》课程纳入培养方案中。本文综合考虑本专业培养方案及该课程的教学大纲要求,针对其理论性与操作性强这一特色进行了教学内容及教学授课方法的初步探索与设计,力求培养学生利用计算机分析和解决实际问题的能力。

探究自动控制系统在材料科学实验数据处理中的应用——评《材料科学与工程中的计算机应用》

随着计算机技术与材料科学的发展与进步,计算机的应用对材料科学研究的影响日益彰显,计算机的自动控制系统被广泛应用到材料科学实验数据处理中,极大程度地提高了测量精确度,避免了人工造成的误差,对材料科学研究以及材料工程技术的发展进步具有重要意义。在侯怀宇、张新平编著的《材料科学与工程中的计算机应用》(国防工业出版社,2015年6月版)一书中,就"计算机于材料科学实验数据处理"这一话题进行了专门的论述。

探究计算机在材料科学实验数据处理中的应用——评《计算机在材料科学与工程中的应用》

计算机作为现代化重要工具,在各个领域中有着不可或缺的作用,尤其是在材料科学研究领域中。材料科学是一门综合性学科,如借助计算机测量高炉内温度、监测炉内液体运动及推测高炉使用寿命等项目。现如今,随着各项产业的逐渐精细化和完整化,对计算机的使用要求更高,由此,不难看出计算机在材料科学领域的应用价值,有着极为广阔的发展前景;那么如何充分利用计算机显得十分重要,对促进材料科学研究发展进入新的高度具有积极作用;计算机技术充分利用应从两方面入手。

线性规划法在铁路工程材料经济运距计算中的运用

经济运距是对铁路工程项目运杂费产生影响的重要因素,对其展开精准计算与分析,可以对项目运杂费控制以及整体工程成本控制产生极为积极的影响,价值较为突出。通过对经济运距分析意义的介绍,对线性规划法在铁路工程材料经济运距计算中的应用方式展开全面论述,旨在提高工程材料经济运距计算水平,保证铁路工程各项目具体展开质量。

基于集成计算平台的高强韧铝合金半连铸工艺优化

基于集成计算材料工程(ICME)思想,使用数字化集成计算平台依托ProCAST仿真模拟软件、MATLAB数值分析软件,并使用最优化方法中序列(逐步)二次规划法(SQP),优化了半连续铸造制备直径254 mm的7050铝合金圆锭工艺,得到较优铸造温度为690℃,所得铸锭的残余应力值最小。与传统优化方式,即逐步调整工艺参数并分析模拟结果的方法相比,数字化集成平台迭代进行工艺寻优的效率提高了1倍。在此优化工艺下得到铸锭的屈服强度为218 MPa,抗拉强度为336 MPa。

材料基因组计划简介

美国总统奥巴马明确指出"材料基因组计划"(TheMaterialsGenomeInitiative,MGI)的总目标是"将先进材料的发现、开发、制造和使用的速度提高一倍"。白宫科技政策办公室在2011年6月发布的相应的白皮书《具有全球竞争力的材料基因组计划》中阐述了材料创新基础设施的三个平台:计算工具平台、实验工具平台和数字化数据(数据库及信息学)平台。材料基因组计划/工程不仅仅是要开发快速可靠的计算方法和相应的计算程序,而且也要开发高通量的实验方法来对理论进行快速验证并为数据库提供必需的输入,还要建立普适可靠的数据库和材料信息学工具,以加速新材料的设计和使用。材料基因组计划/工程旨在材料领域建立一个新的以理论模拟和预测优先、实验验证在后的"文化",从而取代现有的以经验和实验为主的材料研发的理念。

反应合成Fe/Al_2O_3复合材料热力学

运用CALPHAD技术,基于多组元多相复杂平衡体系的吉布斯自由能最小化原理,用大型集成数据库FACT系统,考察了铝和氧化铁经典反应体系的热力学规律。针对材料的反应合成技术,以铝和氧化铁为研究体系,计算过程考虑了化学计量铝和氧化铁体系以及各种产物中物种的相变情况;分析了原料初始温度、配料比对绝热温度和平衡组成的影响;特别地,考察了添加不同数量SiO2时的情况。随着信息技术在材料科学中应用的日益重要,归纳了"计算材料工程"概念的要点,对合成新材料具有一定的指导意义。

Al/Fe_2O_3反应合成材料热力学

运用CALPHAD技术,基于多组元多相复杂平衡体系的吉布斯自由能最小化原理,用大型集成数据库F A C T系统,考察了铝和氧化铁经典反应体系的热力学规律。针对材料的反应合成技术,计算了化学计量铝和氧化铁体系以及各种产物中物种的相变情况;分析了原料初始温度、配料比和SiO2含量对绝热温度和平衡组成的影响。

基于数字孪生技术的金属材料力学标准试样高通量制备与原位铸造性能测试系统

高通量计算、高通量实验和数据库技术为材料基因工程的3大关键技术,旨在高效地加速新材料的设计与开发。在我国新一代智能制造的驱动下,数字孪生技术已成为数据驱动的集成计算材料工程关键技术。面向精密铸造技术领域,建立了集成金属材料铸造性能测试与标准试样高通量制备的方法和系统,包括浇铸系统优化设计、铸造性能测试系统和标准试样高通量制备阵列组合系统。通过集成3D打印技术,实现了系统设计和制备的数字孪生。结果表明,采用试样高通量制备阵列组合系统制备的蜡模精度高,功能模块单元组合灵活、方便,可节省传统压模工具,降低成本、减少力学性能试样的加工量和原材料消耗、缩短制备时间。该集成系统还可用于砂型、金属型和精密铸造等试样的制备过程。

关键钢铁材料的智慧研发路线

从面向2035的新材料强国战略出发,针对现代交通、能源、海洋工程以及重大装备等领域,对其急需的关键钢铁材料在品种、规格、性能、质量、服役安全与寿命等方面均提出了明确的发展目标、应攻克的技术瓶颈和“卡脖子”问题。为适应未来先进钢铁材料的发展,应在钢铁材料知识与理论框架下,充分发挥集成计算材料工程及材料信息学的优势,创建新材料的智慧研发路线,实现中国先进钢铁材料的研发从跟随模仿跨越到基于人工智能创新引领的新高地。