基于集成計算的材料設計基礎科學問題

2023年12月10日發(作者：當我們都老了)

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項目名稱： 基于集成計算的材料設計基礎科學問題

起止年限：依托部門：楊銳 中國科學院金屬研究所

2011.1至2015.8

中國科學院

首席科學家：

二、預期目標

1. 總體目標

針對緊缺能源與資源約束的材料行業可持續發展需求，運用計算與材料學科交叉的新手段提出創造性的解決方案，同時有效縮短關鍵新材料研發與驗證周期，促進我國材料產業的技術跨越，形成位于世界前列的國家競爭力。集中優勢力量開展計算材料科學發展第三階段的集成材料計算，演示在材料設計方面的系列應用，以重點材料如高性能鈦合金和若干信息功能材料為應用目標促進工業技術進步。大力培養新型人才，帶動計算技術在材料制備、研發、工藝、工程化、使役整個鏈條各環節的交叉融合，促進我國計算材料科學的全面發展。

2. 五年預期目標

（1）在高性能新材料集成計算平臺與方法方面發揮主導作用：依托位于中科院金屬所的中科院沈陽超級計算分中心和北京的科技部新材料模擬設計實驗室及清華大學材料虛擬設計實驗室，完成GPU分子動力學模擬程序和適用于大尺度模擬的大規模并行計算等2套程序的開發，基于Chen-M?bius晶格反演方法改進目前廣泛應用的EAM勢，體現我國材料計算研究的系統性和原創性。

（2）在結構與功能材料集成計算方面取得原創性成果并在關鍵材料設計方面發揮不可替代作用：對鈦合金中溫高應力條件下的疲勞行為提出基于原子模擬的新認識，探索基于粉末冶金的1套初步解決方案，研制出一種先進TiAl材料并在國際先進航空發動機中獲得應用，充分體現我國自主創新實力。在多尺度多層次計算基礎上提出一種新一代單晶高溫合金集成設計方案。研究多元和無序氧化物體系（特別是鐵電材料）的電子性質和磁電耦合計算方法，設計1~2種具有優異性質的鐵電和鐵磁功能材料。

（3）充分發揮數據庫與軟件共享功能，面向全國開放提供服務，提升我國計算材料整體水平：采用獨創的晶格反演數論方法發展的針對我國資源優勢的稀土相關原子勢庫將進一步擴大合作與服務，為提高我國特有資源技術附加值貢獻科技力量。中科院沈陽超級計算分中心的計算能力及相應軟件也將面向全國研究單位和企業開放服務。

（4）在材料技術和科研產出方面，實現國家發明專利8項和國際發明專利2項；爭取獲頒新材料國家標準1項；發表論文400余篇。

（5）在材料計算設計與模擬人才方面，培養博士30名和學術骨干8名以上；實現2項以上國際重大合作項目，與相關領域10個以上世界一流研究組保持或建立合作關系，實現人員交流40人次以上。

三、研究方案

1. 學術思路及技術途徑的可行性

依據國際上計算材料學已進入以集成計算設計為重點的第三研究階段而同時繼續攻克基本方法難點的形勢以及我國材料行業的需求，本項目在前期雄厚的研究積累基礎上，擬開展方法、應用、服務三個層面的研究，具體研究內容及相互支撐關系見示意圖。有關具體的技術途徑在圓滿完成的前期項目中業已證明是可行和有效的。

材料集成計算作為本項目的重點研究方面，其研究對象和應用目標選取了具有重大需求或重要應用前景的代表性鈦合金結構材料和新型功能材料。該層面研究將充分體現材料集成計算在加快研發進度、降低研發成本和提高材料創新精準度方面的明顯優勢。在方法層面的三項研究與直接針對應用目標的這兩方面研究關系密切，不僅為其提供基礎與方法支撐，而且為計算材料科學自身發展做出貢獻。上述研究安排預計可以在解決本項目五個關鍵科學問題上有所突破。

與前期項目明顯不同的是，本項目將面向學術界，企業與社會提供服務，這具有多方面意義：一是項目自身成果的展示，充分體現973這類重大項目的社會功能；二是在面向社會過程中將充分提高社會對計算材料這一新興學科的認知，促進新型人才培養和材料行業發展模式的升級；三是與工業界和學術界的開放式互動交流將促進材料集成計算研究走向深入，更高效地滿足國家需求。

服務

應

用

方

法

晶格反演方法的拓展(1)

外場下原子擴散與反應的理論處理(3)

跨尺度關聯機制與算法研究(2)

材料微觀結構和量子效應的功能材料集成設計(5)

實用鈦合金關鍵性能相關集成計算(4)

原子勢

庫(1)

超級計算平臺及相關資源(4,5)

若干材料計算新方法與程序(1,2,4)

研究層面、研究內容與課題設臵及其支撐關系(數字為課題號)

2. 本項目創新點與特色

（1）以我國獨創方法迎戰國際前沿難題

根據半群結構模型和數論反演方法推算晶體和界面系統原子間結合能進而獲得復雜難處理體系原子間勢是得到國際認可的獨創性方法，已在諸多材料體系中獲得應用。該方法的創新與拓展將為學科發展做出我國應有貢獻。

（2）為利用我國特色稀土資源做好科學基礎儲備

稀土和錒系金屬作為我國特色資源，不僅為特種功能材料所必需，也是我國今后大力發展的核材料的工業原料。多年來我國稀土行業一直因低技術附加值出口而飽受詬病，其深層次原因是我國缺乏相應的關鍵技術。本項目建立的稀土原子勢庫將為開展相關研究工作奠定基礎。

（3）材料集成計算依據國家重大專項需求，力圖解決跨越發展所需關鍵技術的基礎科學問題

高性能鈦合金和集成電路用新型功能材料均是我國重大科技專項涉及的關鍵材料，開展相關材料集成計算并為解決有關技術問題提供方案具有重要意義。如鈦合金在中溫、高應力狀態下的疲勞，是航空發動機葉片應用的核心問題，已引起GE和Rolls-Royce等世界主要航空引擎制造商高度關注。項目在該方面的研究將為我國大飛機發動機專項提供支撐，促進我國航空工業跨越發展。

（4）項目成果面向社會服務充分體項973項目價值與意義

本項目提出的面向學術界、企業和社會的三方面服務是一大特色。這首先得益于973計劃對材料計算科學的長期穩定支持，同時也將有效展示重大項目的公益功能，加深社會對973重大項目的認知，促進計算材料科學健康發展。

本項目擬分五個課題進行計算方法、應用和服務三個層面的研究，其間相互關系見上節圖。其中課題1、2、3著重方法的研究，而課題4、5分別側重在結構材料和功能材料設計兩方面的應用。方法層面的三項研究直接針對兩個應用目標，而應用研究為方法的發展提出相應的需求。

課題1、復雜材料原子間相互作用勢庫的創新與拓展

預期目標：

采用獨創的晶格反演數論方法發展更精確的針對不同結構、不同體系的復雜難處理系統原子間相互作用勢，發展新的反演方法。導出界面體系中相應的新型反演公式與相應原子勢，通過比較和系統檢驗，為系統發展和應用界面反演新方法奠定良好基礎。明確界面原子配位環境與界面反演勢的關系，解決復合界面以 及多重復合界面的計算困難，探索自組裝納米結構模板的形成機理和設計方法。結合關鍵材料利用晶格反演方法對EAM勢進行改進，提供實用效果和可移植性更好的晶格反演EAM勢。

研究內容：

以貼近對象結構的晶格系統，利用DFT+U的方法進行系列性第一原理計算，運用新推導的不同結構反演系數計算出不同體系、不同相的Chen-M?bius晶格反演原子間相互作用勢，完成針對不同微結構的原子間相互作用勢庫。對具有應用潛力的錒系氧化物體系進行深入研究。 在界面反演勢方面將拓展不同的應用范圍，研究界面的位錯結構、位錯在界面斷裂過程中的行為、失配位錯在界面上的滑移、界面生長模式與帶位錯界面粘接能的關系。充分發揮反演勢可模擬包含上萬原子大體系的優勢，探索自組裝納米結構模板的形成機理并預言或設計不同周期長度的模板。應用Chen-M?bius晶格反演方法改進EAM勢。在已初步建立的單質材料晶格反演EAM勢基礎上，完成有序金屬間化合物中晶格反演EAM勢并進行系列應用檢驗。開展構筑合金勢的研究，應用第一原理方法計算同成分不同結構有序合金結合能，通過晶格反演來獲取EAM勢并揭示其與合金結構之間關聯的規律性。再尋找弱化這些關聯的最佳途徑，構建起有效的獲取合金勢的參考結構；并建立起定量表征這些關聯的有效方法，與實際應用結合，對原子間相互作用勢進行檢驗和改進。

經費比例：17%

承擔單位：北京科技大學、清華大學、云南大學、河北師范大學

課題負責人：陳難先

學術骨干：張碩、劉英、錢萍、申江

課題2、多層次－多組元物性關聯機制及相關算法與合金成分設計

預期目標：

完成跨尺度—多層次模型算法中耦合機制和物理邊界兩個基本問題的定量分析，解決大尺度計算中加速收斂問題以及提高計算精度問題。掌握多化學組元協同效應的相關規律，建立多化學組元（三元及以上體系）原子間相互作用勢并應用于Ni基單晶高溫合金設計，基于第一原理電子結構計算給出化學因素及結構因素與材料力性的相關機制。

研究內容：

繼續發展和應用課題組前期提出的多尺度能量密度方法及跨層次物理參量解析傳遞方法，用于Ni基單晶高溫合金成分選擇及合金設計。發展大尺度快速收斂及并行擴展性編程方案和離散數值積分算法，實現千原子量級及復雜結構缺陷體系的第一原理計算。將在已實現的大尺度Ni基單晶高溫合金共格體系的第 一原理計算基礎上，建立多組元（三元及以上體系）原子間相互作用勢的理論模型及能量函數表述，針對高性能單晶高溫合金設計問題，將上述方法應用于復雜結構及多組元材料成分設計。揭示多化學組元協同效應的基本規律，為Ni基單晶高溫合金成分設計提供理論分析的基礎。

經費比例：17%

承擔單位：鋼鐵研究總院、清華大學

課題負責人：王崇愚

學術骨干：王山鷹、朱弢、于濤、燕平

課題3、固體界面多因素耦合問題理論研究

預期目標：

澄清主導鐵、鈦、鎂合金高溫蠕變行為的物理機理，提出抗高溫蠕變鈦、鎂合金成分設計指南；初步建立第一原理合金腐蝕電化學研究方法，發現與合金成分相關的晶界腐蝕規律；創建研究晶體裂紋擴展問題的跨尺度耦合算法，實現鐵、鈦、鎂合金應力腐蝕開裂現象的計算機模擬。研究過渡金屬氧化物表面結構特征，揭示分子表面吸附與催化反應機制，建立鐵電薄膜/基體的界面失配位錯應變場與鐵電極化的相互作用規律。

研究內容：

擬采用密度泛函理論和密度泛函擾動理論框架下的第一原理計算方法研究鎂、鈦合金在高溫條件下因晶界滑移導致的蠕變問題，重點研究鎂鋁合金中Mg17Al12析出相的高溫熱穩定性及其在界面滑移中的作用，計算模擬多元合金的析出熱力學，探討界面析出相在抑制界面滑移中的作用。擬結合準連續介質技術、經典分子動力學和第一原理分子動力學方法創建由宏觀連續介質到電子層次的跨尺度結構模型，對應力腐蝕開裂的裂紋擴展過程與方式進行全方位模擬計算，探尋阻止或緩解晶間腐蝕的可行辦法。對鈦合金和鎂合金表面保護膜的抗腐蝕機理進行詳細的比較研究，以探尋提高鎂合金腐蝕抗力的更有效辦法。第一原理研究過渡金屬氧化物的表面結構、穩定性和氣體吸附等物理、化學過程，探索新型催化劑的設計思路；研究鐵電、光電材料的原子、電子結構和光吸收性質；分析界面與摻雜元素的交互作用及其對光催化性能的影響，探索不同基體的界面失配位錯應力場對鐵電極化的影響。

經費比例：21.2%

承擔單位：中國科學院金屬研究所、東北大學、遼寧工業大學

課題負責人：王紹青

學術骨干：王雨晨、張林、趙星

課題4、鈦基合金組織控制及使役性能集成計算

預期目標：

在電子、原子結構層次上，掌握合金元素影響鈦合金彈性機制和TiAl抗氧化性能的規律，提出優化的合金化方案。揭示疲勞過程中位錯自組織形成機理及不同微觀組織特征對裂紋萌生的影響規律，力爭在鈦合金的疲勞形變與斷裂機制研究方面有所突破。闡明鈦合金多晶大變形過程中晶界遷移和晶粒轉動的微觀機理，獲得晶界遷移能力與溫度、晶界位向差的關系，預測給定變形條件下的晶粒位向分布變化趨勢，明確動態再結晶中晶粒轉動對織構演化的作用。對高強鈦合金和TiAl進行成分、工藝設計及綜合性能優化，使之能夠滿足航空部件應用的性能需求。

研究內容：

研究鈦合金塑性變形中應力作用下晶界遷移與滑動的機理以及剪切方向和溫度的影響，闡明鈦合金多晶變形時晶界行為及其影響因素。結合原子模擬信息，建立變形組織的相場模型，探索熱加工工藝中變形參數及后續熱處理對織構的影響。建立鈦合金中的晶體塑性有限元本構關系，其中包含位錯和孿晶對形變的貢獻。在此基礎上研究鈦合金中高溫變形微觀組織的變化，實現部件級的組織優化模擬。針對鈦合金疲勞問題，采用原子模擬研究疲勞過程中位錯相互作用與演化動力學，表征位錯與晶界的相互作用及裂紋萌生與特定微觀組織的關系，探索疲勞與加工硬化過程中的有效位錯反應，揭示疲勞裂紋萌生的原子機制，為改善疲勞性能的微觀組織優化設計提供方向性指導。研究鈦合金變形的電子結構基礎，初步認識功能鈦合金彈性機制。計算研究鈦合金中合金元素與晶內及表面缺陷的作用，針對TiAl氧化與鈦燃燒問題，研究合金原子在TiO2及Al2O3中的相對分布及其對TiO2及Al2O3相對穩定性的影響，表征合金原子在TiO2中對Al的溶解極限的影響及TiAl基體中O的溶解極限，研究合金原子對TiO2中O空位及Ti間隙原子濃度及其擴散速率的影響。在電子結構層次上，分析合金原子影響TiAl抗高溫氧化性能的物理機制。

經費比例：16.8%

承擔單位：中國科學院金屬研究所、哈爾濱工業大學、東北大學

課題負責人：徐東生

學術骨干：胡青苗、宋巖、李林、王皞

課題5、基于材料微觀結構和量子效應的功能材料集成設計方法

預期目標：

針對功能材料在實際應用條件下的使役行為，發展應用于多元或無序等復雜材料體系的計算設計方法，闡明材料微觀結構與導電行為、極化、發光行為、磁 電耦合性質、催化行為等之間的關聯，通過摻雜、改性、引入新組元、外場等調控材料的電、磁、光、極化行為。由此制定新功能材料的制備和合成方案，并對生長工藝過程提供指導，研制出滿足使用的功能材料和器件，設計1~2種具有優異性質的鐵電和鐵磁功能材料。研究薄膜新穎微觀結構的電子態性質，預測體系的力學、電學和熱學性質，為新型光電器件、功能性薄膜和表面催化材料的發展提供物理模型和理論基礎。提出改進光電子材料性能的方案和途徑，設計具有優異性能的復合結構光電子材料及其生長方法。

研究內容：

研究半導體材料中的雙極摻雜和調制摻雜模式及其對輸運性質和器件應用的影響。從載流子空間分布的角度，探討半導體材料（特別是低維結構）的微觀結構及其相關量子效應對于載流子輸運特性的影響，探索提高半導體器件性能的新途徑。研究氧化物材料中的摻雜、缺陷、多組元和無序對其功能性質（自旋極化、鐵電和介電性質、光學吸收）的調制，重點探討在能源和功能器件方面的應用相關的基本問題。探索多摻雜的可能性和實際效果，提出設計方案。研究各種超薄膜量子限制性條件下誘發自旋極化的機理，分析摻雜和缺陷態對磁性產生的作用和貢獻。揭示表面間的關聯特性以及量子尺寸效應帶來的新現象和新規律，力求揭示其物理機理，并發掘其在功能器件中的應用。發展有效的電子輸運理論和熱輸運理論，全面研究功能器件在實際工作環境下的使役行為，提出具有特定性能的功能材料的設計方案。發展高效、高精度的基于性能的復合結構的光電子材料結構剪裁及其性能調控計算方法，確定復合結構的光電子材料在不同生長過程中的動力學性質和嵌入結構的穩定性，設計特定性能的復合結構的光電子材料微觀結構。

經費比例：28%

承擔單位：清華大學、湖南大學、南開大學

課題負責人：顧秉林

學術骨干：余京智、倪軍、周剛、吳健、左旭、陳克求、郭永

四、年度計劃

年度

研究內容 預期目標

（1） 計算稀土金屬間化合物（1） 改進稀土及錒系金屬間化合物勢庫，促進勢庫的應用發展。RT+B系列結構及其熱m+n5m+3n2n力學性質，預測該系列中實驗上尚未合成的一些化合物。系統地建立大多數常用純金屬材料的晶格反演EAM勢，為構筑合金勢奠定堅實的基礎。

（2） 應用能量密度方法探索基

建立具有良好移植性的晶格反演EAM合金勢的有效途徑。獲得界面體系多體勢的方案，對金屬/半導體界面體系進行應用和校驗完善。

單晶高溫合金中局域缺陷與其（2） 提出計算力的高精度算法方第

一

長程環境的耦合機制及物理邊界問題。結合分子動力學和第一原理方法，研究鎳基單晶高溫合金中摻雜元素對裂紋的傳播路

徑、裂紋傳播速度的影響。考慮

案，并編寫相關程序。預測摻雜元素對裂紋擴展性的影響。獲得優化成分的試驗用單晶合金。

合金成分設計方案，進行多種模

型合金和性能合金成分設計。

年

（3） 獲得鈦、鎂合金在不同微量合（3） 計算含堿土金屬和過渡族金化元素摻雜下的最穩定結構，金屬元素的鈦合金、鎂合金中界面析出相的晶體結構與生成焓。研究金屬間化合物表面的有序無序現象和鈣鈦礦結構過渡金屬氧化物、鐵電與多鐵材料中的界面位錯問題。

建立鈦、鎂合金析出相熱力學參數數據庫。得出復雜氧化物表面的結構特征，表面弛豫與重構的規律，給出幾種典型鐵電與多鐵氧化物的位錯核心原子構型和電子結構。

（4） 原子模擬位錯反應與點缺（4） 給出位錯反應的基本形式，產陷的形成、反應產物的長時間演生缺陷的構形，反應產物的長時化動力學及其與位錯運動之間

間穩定結構，反應產物與位錯之 年度

研究內容

的關聯；研究合金原子在TiO2及Al2O3中的相對分布及其對相對穩定性的影響；相場法研究鈦鋁金屬間化合物中片層組織形成、片層密度以及界面類型控制的原理和方法。

（5） 研究半導體中的雙極摻雜預期目標

間的相互作用規律等；得到不同合金元素在幾種氧化物中的能量，分布規律，以及不同合金元素對氧化物穩定性的影響；得到鈦鋁金屬間化合物中特定片層組織的形成規律，為鈦鋁化合物微觀組織控制指明方向。

和調制摻雜模式及其對電子結（5） 實現雜質和主體更好的結合，構、輸運性質和器件應用的影響，探討提高載流子濃度的途徑。研究氧化物摻雜對其結構特征和電子性質的效應。模擬超薄膜的微觀結構特征和基本物性，

研究量子限制性條件下誘發自旋極化的機理。

（1） 利用晶格反演方法對FeAl系（1）

合金勢進行研究。通過分子動力學模擬預測B2-FeAl、DO3-Fe3Al等的基本物性。用改進的界面勢構筑移植性較好的FeAl系提出同種材料的雙極摻雜方案以及調控載流子壽命的方式。了解摻雜和缺陷態對低維材料磁性和極化性質產生的作用。

晶格反演EAM合金勢。通過對界面的位錯結構的研究，進一步完善界面體系多體勢的獲取方案，同時研究界面的位錯結構和動力學行為。

第

二

年

研究界面的位錯結構、位錯在界面斷裂過程中的行為、失配位錯在界面上的滑移等動力學行為。

（2） 在靜態能量密度方法的基礎（2）

上，初步嘗試其動態耦合機制。探索在應變狀態下鎳基單晶高溫合金摻雜元素的擴散行為及相關多尺度耦合機制。應用分子

動力學方法，研究鎳基單晶高溫

合金中裂紋裂尖區位錯等缺陷

提出新型高精度插值算法，提高大尺度計算整體運行效率。給出多化學組元協同效應的相關規律。

年度

研究內容

的運動演化。研究摻雜元素（Re、

預期目標

Ru、W、Co、Cr、Mo等）在鎳

基單晶高溫合金中擴散行為及

其對高溫合金筏化和蠕變的影（3） 弄清時效處理產生系列脫響。

溶析出相的動力學原因。完善鎂（3） 采用密度泛函理論方法計算隨合金成分與析出相結構變化的合金母相/析出相的費米能級。在原子尺度上計算研究加載速率和點缺陷對合金中不同晶體取向裂紋擴展過程的影響。研鋁合金及其中典型析出相的電子能級信息。了解晶體在所引入不同晶體取向裂紋作用下的斷裂機理。給出復雜氧化物表面的極化補償機制；確定界面失配位錯應力場對鐵電極化的影響。

究過渡金屬氧化物表面的電子

結構，模擬不同基體的界面失配

位錯應力場分布。

（4）

（4） 分子動力學模擬探索疲勞與加工硬化過程中的有效位錯反應及作用；疲勞過程中位錯與晶界的相互作用、裂紋萌生與特定微觀組織的關系；研究合金原子對Al及O的溶解極限的影響；研究合金原子對氧化物中點缺陷濃度及其擴散速率的影響。

研究不同微觀結構中載流子在外場中的行為及其調制方法，探討半導體微觀結構及其相關量子效應對載流子輸運特性的影響。重點研究氧化物中的摻雜、缺陷、多組元和無序對其功能性質的影響。

得到特定條件下位錯與晶界的相互作用，位錯的穿越，吸收及其對晶界結構的影響；晶界附近裂紋萌生的臨界條件；獲得不同合金元素對氧化物中溶解極限的影響趨勢，以及合金元素對空位及間隙原子濃度和擴散速率的作用規律。

（5） 發展研究微觀結構、載流子分布和輸運的理論模型和計算方法，判明影響載流子空間分布的關鍵因素及其作用機理；提出針對能源利用的材料摻雜改性方案。 年度

研究內容 預期目標

（1） 從金屬/氮化物等簡單結構界（1） 獲得適用性較好的Cu-Ta-Si體系阻擋材料原子間相面出發，進而發展碳化物/碳化物，碳化物/氮化物，氮化物/氮化物等復合界面，以及金屬-碳化物-氮化物的多重復合界面的研究。

（2） 研究基于DIIS方法并適合于多化學組元復雜體系求解的自洽迭代收斂加速方法。探索化學元素對于材料力學性能的影響互作用勢庫，進行系列性的大規模分子動力學模擬，獲得表面弛豫、界面特性、中間緩沖層等原子級圖像，為此類材料的原子級研究奠定基礎。

（2） 基于鍵合方程的分析計算提出多化學組元協同效應的跨局域區域耦合機制。完善物理參量解析傳遞方法,結合第一原理計算,為鎳基單晶高溫合金成分設計提供理論基礎。

計算觀察在不同載荷作用第

三

以及不同化學組元之間的協同效應。基于第一原理電子結構計算，研究合金界面的斷裂性質和界面析出取向特征以及界面原子化學構型與劈裂能及位錯滑（3）

移的相關性。

下界面裂紋的形成和擴展過程，給出微觀尺度下合金系統界面應力和界面破壞之間的內在聯系。建立點缺陷和表面原子結構、電子結構和光學性質的聯系。得出表面的有序無序現象對催化性能的影響；在綜合考慮摻雜、表面及分子吸附和電荷轉移等因素的情況下，提出一種新的光催化劑設計方法。

年

（3） 結合第一原理計算和準連續介質方法設計準確高效合金應力腐蝕過程多尺度耦合模擬算法。在原子尺度上計算研究合金基體上多層膜界面裂紋萌生與擴展的臨界條件。探索金屬間化合物納米結構中有序疇的調控在催化劑設計中的可能應用；研究H2O、NO及有機分子在半導體表面的吸附及半導體激發粒

子與吸附分子軌道之間的作用。

（4） 基于電子結構層次上的計算

（4） 得到基本的能量信息，分析獲得不同合金元素添加對高 年度

研究內容

模擬，分析合金原子影響TiAl抗高溫氧化性能和醫用鈦合金相變路徑的物理機制。結合原子模擬信息，建立變形組織的相場模型，探索變形對鈦合金中網籃、細晶組織等特定微觀組織的影響規律。

（5） 研究不同外場和化學環境下半導體和氧化物表面和界面微觀結構對其光-電-磁-熱性能的影響。模擬薄膜的合成和生長機制，分析表面重構和表面弛豫，建立表征表面電子態的模型和計算方法，系統研究功能性超薄膜，探索可能的低維量子器件構筑方案。

（5）

預期目標

溫氧化和正交相變機理的作用。獲得相場動力學模擬所需的形變模型，并通過考慮不同階段的形變，在相場動力學模擬中給出不同因素的相對影響強度。

提出構筑若干功能電子和自旋器件的思路。理解半導體和氧化物表面活性及其在外延生長、催化和氧化方面的作用。

（1） 利用晶格反演方法對TiAl系（1） 得到移植性較好的TiAl系晶合金勢進行研究。并進行系列性的應用檢測。

格反演EAM合金勢。

（2） 獲得多化學組元協同效應的跨尺度耦合機制。對鎳基單晶高溫合金多化學組元協同效應給出量化判斷，給出化學元素以及不同組元協同效應對合金蠕變斷裂壽命的影響機制。

（3） 理解合金元素擴散行為與界面滑移和位錯運動之間的內在聯系。揭示裂紋在合金材料中傳播、生長的機制和規律，澄清氫第

（2） 研究LmBFGS算法，并應用于

四

年

原子結構的弛豫。基于第一原理結合分子動力學模擬，探索Re、Ru等合金化元素與相界面上的錯配位錯相互作用以及合金化元素偏聚性及多化學元素協同效應。

（3） 進行合金元素擴散系數與環境溫度關系的理論研究；在電子 年度

研究內容

與原子尺度上進行氫與合金中組元原子間的相互作用影響裂紋形成及其擴展的計算研究。根據界面位錯結構與極化性能的耦合關系設計性能可控的鐵電薄膜和鐵電納米結構。

（4） 針對鈦合金的疲勞斷裂行為，原子模擬疲勞過程中位錯相互作用，位錯花樣的形成及其對后續變形的作用；探索變形工藝及后續熱處理對織構的影響，給出合金織構控制的可行路線。

（5） 探討半導體多摻雜的可行性及其對電子性質、自旋極化和輸運性質的影響。研究具鐵電、壓電的多元氧化物體系的介電、磁、磁電耦合行為，并探討其可能的應用。

預期目標

元素在外加載荷條件下對裂紋形成臨界條件的影響機制。設計2至3種新的鐵電與多鐵性納米結構。

（4） 闡明疲勞條件下的典型位錯相互作用的原子機制；得到不同變形工藝下的微觀組織特征，特別是織構等的形成趨勢及其與相變的交互作用，提出控制建議。

（5） 發展多元氧化物的計算方法，計算材料中的磁電耦合效應，確定最優的多摻雜設計方案。設計出1~2項有重要應用前景的新型功能量子器件。

（1） 利用晶格反演方法對CoAl系（1） 得到移植性較好的CoAl系晶第

合金勢進行研究。模擬計算B2-CoAl、L12-Co3Al等的基本物性，檢驗并改進CoAl系合金勢。

格反演EAM合金勢。對改進的界面原子勢勢庫進行及稀土及錒系金屬間化合物勢庫進行總結。

五

（2） 研究多尺度-跨層次耦合機

年

建立QM/MD的動態耦合方法。探討關鍵元素作用機理，完善性能合金成分設計，探索鎳基單晶高溫合金中疲勞裂紋的傳播。

制及物理邊界的科學表述，探索（2） 獲得適合大體系新型LmBFGS算法，實現復雜結構的弛豫算例。揭示高代次單晶高溫合金中關鍵元素的強化機制，不同化學組元協同效應對合金蠕 年度

研究內容

（3） 全面開展鎂合金典型晶界電偶腐蝕過程的Car-Parrinello 第預期目標

變斷裂壽命的影響規律，給出具有自己特色的合金成分。

一原理分子動力學模擬。完成合（3） 建立合金在有水環境下電偶金材料應力腐蝕開裂過程多尺度耦合計算模擬軟件包的研制。研究氣體分子與過渡金屬氧化物和金屬間化合物表面的相互作用機理；根據過渡金屬氧化物和金屬間化合物的表面結構特征和電子態設計新的催化劑。

（4） 揭示疲勞裂紋萌生的原子機制，為實現疲勞性能的微觀組織腐蝕電化學問題第一原理理論模擬研究方法。在電子層次上理解產生晶間腐蝕、應力開裂等現象的本質因素，給出理論上的防范措施。獲得復雜表面的氣體吸附狀態、軌道相互作用、電荷轉移機制、以及催化反應機制；設計出基于氧化物與金屬間化合物的環境與能源催化劑。

優化設計提供方向性指導；研究（4） 得到疲勞裂紋形核長大的基鈦合金中高溫變形微觀組織的變化，預測特定變形條件下的織構特點，為變形微觀組織的控制奠定基礎。

（5） 發展有效的、外場下材料性能計算方法，研究半導體和氧化物功能材料表面間的關聯特性及本機制；給出特定變形條件下鈦合金微觀組織的變化規律；得到變形條件與織構特點之間的關聯，以此指導變形工藝的確定；根據部件組織控制的需求，模擬給出所需的變形和熱處理條件，輔助部件加工工藝條件的確定。

量子尺寸效應相關新現象和新（5） 揭示材料表面微觀結構導致規律，全面研究功能器件在實際工作環境下的使役行為。項目總結。

的新性質的機理，以此為基礎優化微觀結構，提出具有特定性能的功能材料和器件的設計方案，并闡明其在實際工作環境下的行為。

一、研究內容

（1）材料計算核心方法與工具的深入研究

雖然計算材料學的前鋒已進入以材料集成計算為主題的第三發展階段，作為學科基礎的很多核心方法仍在發展中。針對與本項目目標緊密相關的關鍵方法繼續開展深入研究，在支撐本項目的同時也將推動學科發展與成熟：

①晶格反演方法的拓展。界面間原子間相互作用勢的獲取一直是國際上公認的難點。擬在已有基礎上研究界面原子配位環境與界面反演勢的關系，從二體勢通過修正亞穩態粘接能曲線得到三體勢，從處理簡單結構界面深入到復合界面以及諸如金屬-碳化物-氮化物的多重復合界面。采用Chen-M?bius晶格反演方法改進廣泛使用的EAM勢，擴大新方法在真實合金模擬領域的應用。

②跨尺度關聯機制與算法研究。在已有多尺度能量密度方法及跨層次物理參量解析傳遞方法基礎上，發展大尺度快速收斂及并行擴展性編程方案和離散數值積分算法，實現千量級原子及復雜結構缺陷體系的第一原理計算。基于第一原理建立多組元原子間相互作用勢的理論模型及能量函數表述，揭示多化學組元協同效應的基本規律。

③外場下原子擴散與反應的理論處理。材料蠕變、應力腐蝕、電位腐蝕等均與原子在不同外場作用下擴散行為及交互作用有關。將分別采用有限元和原子尺度的分子靜力學結合的準連續介質方法、Car-Parrinello動力學模擬與高精度量子蒙特卡洛計算結合等方法對這類復雜過程加以描述。

④晶格缺陷的結構表征與性能預測。很多功能材料的性能受限于其晶格缺陷結構。將研究復雜表面的結構與催化效率、位錯應變場對鐵電極化的影響，以及光催化性能與點缺陷的電子態的關系，提出相應方法與性能預測模型。

（2）材料集成計算及其應用演示

不同于以往將單項、個別計算結合到材料設計中去的方法，材料集成計算強調整合各種計算模型與方法，針對關鍵問題給出盡量完整的解決方案。擬針對具有重要應用的關鍵材料基礎問題開展下列研究。

①實用鈦合金關鍵性能相關集成計算。疲勞等關鍵問題取決于合金熱加工過程的微觀組織的晶體學特征，加載過程中各類形變機制的交互作用以及缺陷演化，涉及第一原理、分子動力學、相場與有限元多種模擬技術的綜合。本研究將重點針對鈦合金在航空發動機應用中的這一核心問題開展材料集成計算。

②材料微觀結構和量子效應的功能材料集成設計。如何在半導體器件中克服或利用量子效應，是當前功能材料研究的難點。擬研究若干種關鍵半導體材料（如Si基材料和超薄膜材料）和氧化物材料（如鐵電材料等）在光電器件、傳感器、場效應管等方面的應用，發展精確預測這類復雜材料體系在實際工作條件下各種性能的集成計算方法，以材料的微觀結構為基礎進行功能材料的設計。

（3）材料計算設計平臺與工具的開放服務

開放重大項目研究成果由社會共享是973項目的目標之一。本項研究將在整合前期豐富研究成果基礎上，建成以下材料計算設計的平臺與若干重要工具，對我國工業界和學術界開放，促進學科發展和工業應用。

①原子勢庫。原子間相互作用勢是很多計算模擬的基礎，稀土及錒系-過渡金屬原子間的相互作用勢對我國特色資源利用及材料發展極為重要。本項目創建的這一重要科學資源將提供開放服務。

②若干材料計算新方法與程序。包括利用晶格反演方法改進的EAM勢，大尺度快速收斂及并行算法，GPU結合分子動力學的材料力學行為模擬方法等。

③超級計算平臺及相關資源。中科院沈陽超級計算分中心和清華大學材料設計虛擬實驗室在經過本項目對材料計算資源與方法有效整合后將提供開放服務。

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