计算方法在所有科学和工程领域都越来越重要,计算材料科学利用了这些领域的进步,包括高通量方法和机器学习。材料科学与工程应用范围从材料的电子和结构特性的理论预测到化学动力学和平衡或模拟材料加工操作中的化学动力学和平衡,到现在预测新材料的存在及其特性。计算技术的这些进步使人们对材料行为,特别是在纳米尺度上的行为有了深刻的了解。在有利的情况下,现在只需求解薛定谔著名的方程,就可以精确地预测纳米尺度(一纳米 = 十亿分之一米)材料的许多特性。这些进步使该部门的研究人员能够非常积极地为材料项目 https://materialsproject.org (https://materialsproject.org/) 开发数据,该项目旨在为所有已知材料构建一个包含所有可计算特性的数据库。
本课程旨在提供从家庭到各种工程应用中使用的金属冶金方面的基础知识。它涵盖了材料的基本方面、晶体结构及其表示,以及材料中存在的各种缺陷。然后,讨论了合金化的必要性及其相图中发生的相应变化。特别关注工业中广泛使用的重要黑色和有色合金。包括通过不同的热处理工艺及其微观结构变化来定制材料性能。最后,课程以对金属以外的材料的讨论结束,其中包括聚合物、陶瓷和复合材料等先进材料。课程成果:在课程结束时,学生将能够 1. 解释晶体结构及其缺陷的基本概念,并在立方晶胞中绘制晶体点、方向和平面。2. 解释合金二元相图中存在的各种相,并计算相的质量分数。3. 推荐热处理工艺以实现钢性能的期望变化。 4. 根据性质和应用,区分铁合金和有色合金。根据性质和应用,对聚合物、陶瓷和复合材料进行分类和解释。
材料科学主要研究固体材料的性质以及材料的成分和结构如何决定这些性质。材料科学研究和应用不同的材料,通常分为四类,即金属、聚合物、半导体和陶瓷。半导体、金属和陶瓷如今用于形成高度复杂的系统,例如集成电路、光电设备以及磁性和光学大容量存储介质。这些材料构成了我们现代计算世界的基础,因此对这些材料的研究至关重要。聚合物是由大量相同成分组成的化合物,这些成分以类似链条的方式连接在一起。它们是材料科学的重要组成部分。聚合物是制造通常称为塑料和橡胶的原材料(树脂)。只要对性能的起源有基本的了解,就可以选择或设计材料以用于各种各样的应用,从结构钢到计算机微芯片。因此,材料科学对于电子、航空航天、电信、信息处理、核能和能源转换等工程活动非常重要。