摘 要:为满足建筑工业的新要求,建筑材料的品种和功能需要不断的增加、更新与完善。为此,新型材料的设计近年来已逐渐形成潮流,特别是计算机技术的发展极大的推动了材料设计的发展。本文对建筑材料设计的技术途径包括研究内容、基本途径与计算方法做简要概述。
关键词:新型建材;材料设计;技术途径;计算方法
0 引言
传统的七大类建筑材料在科学技术发达的今天已经不能满足建筑工业的某些要求,所以有特殊功能和效用的一类建筑材料即新型建筑材料应运而生。研究设计并努力发展新型建材具有十分重要的意义,为适应建筑工业的新要求生产出满足以上特点的新型建筑材料,材料设计近年来已经蓬勃发展起来了。目前,国内外已全面开展新材料计算、设计、模拟研究,其中包括材料的性能模拟、性能预报、物相预报、材料微观结构计算、专家系统。
1 材料设计概述
1.1 材料设计的内涵
材料设计是指通过理论与计算预报新材料组分、结构与性能,或者说,通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。材料设计的研究范畴按研究对象的空间尺度不同可划分为4个层次,即电子层次、原子与分子层次、微观结构组织和宏观层次。
1.2 材料设计的主要研究内容
日本学者三岛良绩在其撰写的《新材料开发和材料设计学》一书中勾画出材料设计的目标和内容,即从材料制备到使用全过程都是材料设计的研究范围。相应的材料设计系统应该包括材料数据库和知识库两个方面,其中知识库包括理论公式或计算结果,也包括经验规律和数学模型。柳田博明认为材料设计应该包括两个方面的含义:①从指定的目标出发规定材料性能,并提出合理手段;②为新材料开发和新效应、新功能研究提供指导原理。也有专家建议,单纯利用理论物理、理论化学计算进行材料设计。
1.3 新型建筑材料的主要研究内容
我国新型建筑材料工业伴随着改革开放的不断深入而发展起来的,我国新型建筑材料工业基本完成了从无到有、从小到大的发展过程,在全国范围内形成了一个新型的行业,成为建筑材料工业中重要的产品门类和新的增长点。现阶段我国新型建筑材料的主要研究内容为:
新型墙体材料。墙体材料是指在建筑中起承重、围护或分割作用的材料。新型墙体材料的品种较多,主要包括各种空心砖、新型实心砖、砌块、墙板等,其主要特点是节能、利废、省土、环保、减轻劳动强度和提高施工效率。
新型建筑涂料。新型建筑涂料是指涂敷于物体表面能形成连续性涂膜,装饰、保护或使物体具有某种特殊功能的材料。
新型建筑塑料。建筑塑料是以高分子材料为主要成分,添加各种改性剂及助剂,为适合建筑工程各部位的特点和要求而生产用于各类建筑工程的塑料制品。
新型装饰材料。装饰材料是指建筑物内外墙面、地面、顶棚的饰面材料。
新型防水、密封材料。防水材料是指有效防止雨水或地下水向建筑物内部渗漏的防水薄膜材料,是建筑业及其他有关行业所需要的重要功能材料。
2 材料设计的主要技术途径
知识库与数据库技术。计算机的材料知识库和性能数据库具有一系列优点,可与人工智能技术相结合,构成材料性能预测或材料设计专家系统。计算机的材料知识库和性能数据库与早起数据的自由管理方式和文件管理方式相比还具有数据优化、数据独立、数据一致、数据共享和数据保护等优点。
材料设计专家系统。材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识,并能运用这些只是解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。
计算机模拟技术。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程,包括合成、结构、性能、制备和使用等。
人工神经网络系统。材料设计涉及材料的组分、工艺、性能之间的关系,但这些内在的规律往往不甚清楚,难于建立起精确的数学模型。
3 材料设计中的计算方法
3.1 材料计算与设计的关系及相关概念
材料设计中的计算主要是通过计算机模拟实现的,计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的全过程,包括合成、结构、性能、制备和使用等。随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次的结构及动态过程理解的深入,可以用计算机精确模拟的对象日益增多。在许多情况下,用计算机模拟比进行真实的实验要快、要节省,因此可根据计算机模拟结果预测有希望的实验方案,以提高实验效率。
材料计算与设计(Materials Computation and Design) 是指以计算机为手段,通过理论与计算对材料的固有性质、结构与组分、使用性能以及合成与加工进行综合研究的一门新学科方向,其目的在于使人们能主动地对材料进行结构与功能的优化与控制,以便按需要制备新材料。简而言之,所谓材料计算与设计就是通过理论计算与设计指导“订做”具有特定性能的新材料。
3.2 材料计算与设计的理论与方法
目前关于现代材料计算与设计的理论与方法主要有第一性原理法、第一性原理分子动力学方法、分子动力学方法、蒙特卡罗方法、有限元法等。下面对以上几种方法进行简要介绍。
第一性原理法(First Principle。第一性原理方法是在电子层次上研究材料的性能。所谓第一性原理,即从最基本的物理规律出发,求解体系的薛定谔方程以获取材料性能方面的信息,从而理解材料中出现的一些现象,预测材料的性能。除原子构型外,它不需要任何其他的经验参数,因此,第一性原理方法是一种真正意义上的预测。
第一性原理分子动力学方法(Car-Parrinello)。第一性原理分子动力学方法(CP) 就是在正确描述电子状态和作用于各原子间的力的基础上进行分子动力学模拟的方法。与经典分子动力学方法中把电子系与离子系相互独立地进行计算相比,其特点在于将两者以统一的形式进行处理和计算。
蒙特卡罗方法(Monte-Carlo)。MC 方法又称为随机抽样技术或统计实验方法,它以概率论和数理统计学为基础的,通过统计实验来实现目标量的计算。其基本思想是求解数学、物理化学问题时,将它抽象为一个概率模型或随机过程,使得待求解等于随机事件出现的概率值或随机事件的数学期望值。
有限元法。有限元法是一种常规的数值解法,它是将连续介质采用物理上的离散与片分多项式插值来形成一个统一的数值化方程,非常方便计算机求解。该方法实质上是完成两个转变:从连续到离散和从解析到数值,因此可解决大多数力学问题、凝固模拟和晶体的塑性模拟等。
分子动力学方法(Molecule Dynamics)。分子动力学方法(MD) 是按该体系内部的内禀动力学规律来计算并确定位形的转变。它把多粒子体系抽象为多个相互作用的质点,建立一组分子的运动方程,通过直接对系统中的一个个分子运动方程进行数值求解,得到每个时刻各个分子的坐标与动量,即在相空间的运动轨迹,再利用统计计算方法来确定多体系统的静态特性和动态特性,从而得到系统的宏观性质。
4 结语
发展新型建筑材料,节约资源与能源,降低污染,提高工业废弃物的利用率,符合我国可持续发展的战略思想,新型建筑材料的设计与研发是21世纪最重要、最有发展潜力的领域之一。按照材料设计的理论方法与计算方法,依托不断发展的强大计算机功能,材料的设计与研发已成为当今热门行业。今后的材料设计应重点注意原材料的循环利用,材料使用过程中的环保,节能等方面的问题。
参考文献
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