1、项目名称： 基于集成计算的材料设计基础科学问题首席科学家： 杨锐 中国科学院金属研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院二、预期目标1. 总体目标针对紧缺能源与资源约束的材料行业可持续发展需求，运用计算与材料学科交叉的新手段提出创造性的解决方案，同时有效缩短关键新材料研发与验证周期，促进 我国材料产业的技 术跨越，形成位于世界前列的国家竞争力。集中 优势力量开展计算材料科学发展第三阶段的集成材料计算，演示在材料设计方面的系列应用，以重点材料如高性能钛合金和若干信息功能材料为应用目标促进工业技术进步。大力培养新型人才，带动计算技术在材料制备、研 发、工艺、工程化、使
2、役整个链条各环节的交叉融合，促进我国计算材料科学的全面发展。2. 五年预期目标（1）在高性能新材料集成计算平台与方法方面发挥主导作用：依托位于中科院金属所的中科院沈阳超级计算分中心和北京的科技部新材料模拟设计实验室及清华大学材料虚拟设计实验室，完成 GPU 分子动力学模拟程序和适用于大尺度模拟的大规模并行计算等 2 套程序的开发，基于 Chen-Mbius 晶格反演方法改进目前广泛应用的 EAM 势，体 现我国材料计算研究的系统性和原创性。（2）在结构与功能材料集成计算方面取得原创性成果并在关键材料设计方面发挥不可替代作用：对钛合金中温高应力条件下的疲劳行为提出基于原子模拟的新认识，探索基于粉
3、末冶金的 1 套初步解决方案，研制出一种先进 TiAl 材料并在国际先进航空发动机中获得应用，充分体现我国自主创新实力。在多尺度多层次计算基础上提出一种新一代单晶高温合金集成设计方案。研究多元和无序氧化物体系（特别是铁电材料）的电子性质和磁电耦合计算方法，设计 12 种具有优异性质的铁电和铁磁功能材料。（3）充分发挥数据库与软件共享功能，面向全国开放提供服务，提升我国计算材料整体水平：采用独创的晶格反演数论方法发展的针对我国资源优势的稀土相关原子势库将进一步扩大合作与服务，为提高我国特有资源技术附加值贡献科技力量。中科院沈阳超级计 算分中心的计算能力及相应软件也将面向全国研究单位和企业开放服务
4、。（4）在材料技术和科研产出方面，实现国家发明专利 8 项和国际发明专利 2项；争取获颁新材料国家标准 1 项；发表论文 400 余篇。（5）在材料计算设计与模拟人才方面，培养博士 30 名和学术骨干 8 名以上；实现2 项以上国际重大合作项目，与相关领域 10 个以上世界一流研究组保持或建立合作关系，实现人员交流 40 人次以上。三、研究方案1. 学术思路及技术途径的可行性依据国际上计算材料学已进入以集成计算设计为重点的第三研究阶段而同时继续攻克基本方法难点的形势以及我国材料行业的需求，本项目在前期雄厚的研究积累基础上，拟开展方法、应用、服务三个层面的研究，具体研究内容及相互支撑关系见示意图
5、。有关具体的技术途径在圆满完成的前期项目中业已证明是可行和有效的。材料集成计算作为本项目的重点研究方面，其研究对象和应用目标选取了具有重大需求或重要应用前景的代表性钛合金结构材料和新型功能材料。该层面研究将充分体现材料集成计算在加快研发进度、降低研发成本和提高材料创新精准度方面的明显优势。在方法 层面的三项研究与直接针对应用目标的这两方面研究关系密切，不仅为其提供基 础与方法支撑，而且 为计 算材料科学自身发展做出贡献。上述研究安排预计可以在解决本项目五个关键科学问题上有所突破。与前期项目明显不同的是，本项目将面向学术界，企业与社会提供服务， 这具有多方面意义：一是项目自身成果的展示，充分体现
6、 973 这类重大项目的社会功能；二是在面向社会过程中将充分提高社会对计算材料这一新兴学科的认知，促进新型人才培养和材料行业发展模式的升级；三是与工业界和学术界的开放式互动交流将促进材料集成计算研究走向深入，更高效地满足国家需求。研究层面、研究内容与课题设置及其支撑关系(数字为课题号)晶格反演方法的拓展(1) 跨尺度关联机制与算法研究(2)外场下原子扩散与反应的理论处理(3)实用钛合金关键性能相关集成计 算(4)材料微观结构和量子效应的功能材料集成设计(5)原子势库 (1)超级计算平台及相关资源(4,5)若干材料计算新方法与程序(1,2,4)服务应用方法2. 本项目创新点与特色（1）以我国独创
7、方法迎战国际前沿难题根据半群结构模型和数论反演方法推算晶体和界面系统原子间结合能进而获得复杂难处理体系原子间势是得到国际认可的独创性方法，已在诸多材料体系中获得应用。该方法的创新与拓展将为学科发展做出我国应有贡献。（2）为利用我国特色稀土资源做好科学基础储备稀土和锕系金属作为我国特色资源，不仅为特种功能材料所必需，也是我国今后大力发展的核材料的工业原料。多年来我国稀土行业一直因低技术附加值出口而饱受诟病，其深层次原因是我国缺乏相应的关键技术。本项目建立的稀土原子势库将为开展相关研究工作奠定基础。（3）材料集成计算依据国家重大专项需求，力图解决跨越发展所需关键技术的基础科学问题高性能钛合金和集成
8、电路用新型功能材料均是我国重大科技专项涉及的关键材料，开展相关材料集成计 算并为解决有关技术问题提供方案具有重要意义。如钛合金在中温、高应力状态 下的疲劳，是航空 发动机叶片应用的核心问题，已引起 GE 和 Rolls-Royce 等世界主要航空引擎制造商高度关注。项目在该方面的研究将为我国大飞机发动机专项提供支撑，促进我国航空工业跨越发展。（4）项目成果面向社会服务充分体项 973 项目价值与意义本项目提出的面向学术界、企业和社会的三方面服务是一大特色。这首先得益于 973 计划 对材料计算科学的长期稳定支持，同时也将有效展示重大项目的公益功能，加深社会对 973 重大项目的认知，促 进计
9、算材料科学健康发展。本项目拟分五个课题进行计算方法、应用和服务三个层面的研究，其间相互关系见上节图。其中课题 1、2、3 着重方法的研究，而课题 4、5 分别侧重在结构材料和功能材料设计两方面的应用。方法层面的三项研究直接针对两个应用目标，而应用研究为方法的发展提出相应的需求。课题 1、复杂材料原子间相互作用势库的创新与拓展预期目标：采用独创的晶格反演数论方法发展更精确的针对不同结构、不同体系的复杂难处理系统原子间相互作用势，发展新的反演方法。导出界面体系中相应的新型反演公式与相应原子势，通 过比较和系统检验， 为系 统发展和应用界面反演新方法奠定良好基础。明确界面原子配位环境与界面反演势的关
10、系，解决复合界面以及多重复合界面的计算困难，探索自组装纳米结构模板的形成机理和设计方法。结合关键材料利用晶格反演方法对 EAM 势进行改进，提供实用效果和可移植性更好的晶格反演 EAM 势。研究内容：以贴近对象结构的晶格系统，利用 DFT+U 的方法进行系列性第一原理计算，运用新推导的不同结构反演系数计算出不同体系、不同相的 Chen-Mbius 晶格反演原子间相互作用势，完成 针对不同微结构的原子间相互作用势库。对具有应用潜力的锕系氧化物体系进行深入研究。 在界面反演势方面将拓展不同的应用范围，研究界面的位错结构、位错在界面断裂过程中的行为、失配位 错在界面上的滑移、界面生长模式与带位 错界
11、面粘接能的关系。充分发挥反演势可模拟包含上万原子大体系的优势，探索自组装纳米结构模板的形成机理并预言或设计不同周期长度的模板。应用 Chen-Mbius 晶格反演方法改 进 EAM 势。在已初步建立的单质材料晶格反演 EAM 势基础上，完成有序金属间化合物中晶格反演 EAM 势并进行系列应用检验。开展 构筑合金势的研究， 应用 第一原理方法计算同成分不同结构有序合金结合能，通 过晶格反演来获取 EAM 势并揭示其与合金结构之间关联的规律性。再寻找弱化 这些关联的最佳途径，构建起有效的获取合金势的参考结构；并建立起定量表征这些关联的有效方法，与实际应用结合，对原子间相互作用势进行检验和改进。经费
12、比例：17%承担单位：北京科技大学、清华大学、云南大学、河北 师范大学课题负责人：陈难先学术骨干：张硕、刘英、钱萍、申江课题 2、多层次多组元物性关联机制及相关算法与合金成分设计预期目标：完成跨尺度多层次模型算法中耦合机制和物理边界两个基本问题的定量分析，解决大尺度计算中加速收敛问题以及提高计算精度问题。掌握多化学组元协同效应的相关规律，建立多化学组元（三元及以上体系）原子间相互作用势并应用于 Ni 基单晶高温合金设计，基于第一原理电子结构计算给出化学因素及结构因素与材料力性的相关机制。研究内容：继续发展和应用课题组前期提出的多尺度能量密度方法及跨层次物理参量解析传递方法，用于 Ni 基 单晶
13、高温合金成分选择及合金设计。发展大尺度快速收敛及并行扩展性编程方案和离散数值积分算法，实现千原子量级及复杂结构缺陷体系的第一原理计算。将在已 实现的大尺度 Ni 基单晶高温合金共格体系的第一原理计算基础上，建立多组 元（三元及以上体系）原子间相互作用势的理论模型及能量函数表述，针对高性能 单晶高温合金设计问题，将上述方法应用于复杂结构及多组元材料成分设计。揭示多化学组元协同效应的基本规律，为 Ni 基单晶高温合金成分设计提供理论分析的基础。经费比例：17%承担单位：钢铁研究总院、清华大学课题负责人：王崇愚学术骨干：王山鹰、朱弢、于涛、燕平课题 3、固体界面多因素耦合问题理论研究预期目标：澄清主
14、导铁、钛、镁合金高温蠕变行为的物理机理，提出抗高温蠕 变钛、镁合金成分设计指南；初步建立第一原理合金腐蚀电化学研究方法，发现与合金成分相关的晶界腐蚀规律；创建研究晶体裂纹扩展问题的跨尺度耦合算法，实现铁、钛、镁合金应力腐蚀开裂现 象的计算机模拟。 研究过 渡金属氧化物表面结构特征，揭示分子表面吸附与催化反应机制，建立铁电薄膜/ 基体的界面失配位错应变场与铁电极化的相互作用规律。研究内容：拟采用密度泛函理论和密度泛函扰动理论框架下的第一原理计算方法研究镁、钛合金在高温条件下因晶界滑移导致的蠕变问题，重点研究镁铝合金中Mg17Al12 析出相的高温热稳定性及其在界面滑移中的作用，计算模拟多元合金的
15、析出热力学，探讨界面析出相在抑制界面滑移中的作用。拟结合准连续介质技术、经典分子动力学和第一原理分子动力学方法创建由宏观连续介质到电子层次的跨尺度结构模型，对应力腐 蚀开裂的裂纹扩展过程与方式进行全方位模拟计算，探寻阻止或缓解晶间腐蚀的可行办法。对钛合金和镁合金表面保护膜的抗腐蚀机理进行详细的比较研究，以探寻提高镁合金腐蚀抗力的更有效办法。第一原理研究过渡金属氧化物的表面结构、稳定性和气体吸附等物理、化学过程，探索新型催化剂的设计思路；研究铁电、光电材料的原子、电子结构和光吸收性质；分析界面与掺杂元素的交互作用及其对光催化性能的影响，探索不同基体的界面失配位错应力场对铁电极化的影响。经费比例：
16、21.2%承担单位：中国科学院金属研究所、东北大学、 辽宁工业大学课题负责人：王绍青学术骨干：王雨晨、张林、赵星课题 4、钛基合金组织控制及使役性能集成计算预期目标：在电子、原子结构层次上，掌握合金元素影响钛合金弹性机制和 TiAl 抗氧化性能的规律，提出优化的合金化方案。揭示疲劳过程中位错自组织形成机理及不同微观组织特征对裂纹萌生的影响规律，力争在钛合金的疲劳形变与断裂机制研究方面有所突破。阐明钛 合金多晶大变形过程中晶界迁移和晶粒转动的微观机理，获 得晶界迁移能力与温度、晶界位向差的关系，预测给定变形条件下的晶粒位向分布变化趋势，明确 动态再结晶中晶粒转动对织构演化的作用。对高强钛合金和
17、TiAl 进 行成分、工艺设计及综合性能优化，使之能够满足航空部件应用的性能需求。研究内容：研究钛合金塑性变形中应力作用下晶界迁移与滑动的机理以及剪切方向和温度的影响，阐明钛合金多晶变形时晶界行为及其影响因素。结合原子模拟信息，建立变形组织的相场模型，探索热加工工艺中变形参数及后续热处理对织构的影响。建立钛合金中的晶体塑性有限元本构关系，其中包含位错和孪晶对形变的贡献。在此基础上研究钛合金中高温变形微观组织的变化，实现部件级的组织优化模拟。 针对钛合金疲劳问题，采用原子模 拟研究疲 劳过程中位错相互作用与演化动力学，表征位错与晶界的相互作用及裂纹萌生与特定微观组织的关系，探索疲劳与加工硬化过程
18、中的有效位错反应，揭示疲劳裂纹萌生的原子机制，为改善疲劳性能的微观组织优化设计提供方向性指导。研究钛合金变形的电子结构基础，初步 认识功能钛合金弹 性机制。 计算研究钛合金中合金元素与晶内及表面缺陷的作用，针对 TiAl 氧化与 钛燃烧问题，研究合金原子在 TiO2 及 Al2O3 中的相对分布及其对 TiO2 及 Al2O3 相对稳定性的影响，表征合金原子在 TiO2 中对 Al 的溶解极限的影响及 TiAl 基体中 O 的溶解极限，研究合金原子对 TiO2 中 O 空位及 Ti间隙原子浓度及其扩散速率的影响。在电子结构层次上，分析合金原子影响 TiAl抗高温氧化性能的物理机制。经费比例：1
19、6.8%承担单位：中国科学院金属研究所、哈尔滨工业大学、东北大学课题负责人：徐东生学术骨干：胡青苗、宋岩、李林、王皞课题 5、基于材料微观结构和量子效应的功能材料集成设计方法预期目标：针对功能材料在实际应用条件下的使役行为，发展应用于多元或无序等复杂材料体系的计算设计方法， 阐明材料微观结构与导电行为、极化、 发光行为、磁电耦合性质、催化行为等之 间的关联，通 过掺杂、改性、引入新组元、外场等调控材料的电、磁、光、极化行 为。由此制定新功能材料的制备和合成方案，并对生长工艺过程提供指导，研制出 满足使用的功能材料和器件，设计 12 种具有优异性质的铁电和铁磁功能材料。研究薄膜新颖微观结构的电子
20、态性质，预测体系的力学、电学和热学性质，为新型光电器件、功能性薄膜和表面催化材料的 发展提供物理模型和理论基础。提出改进光电子材料性能的方案和途径，设计具有优异性能的复合结构光电子材料及其生长方法。研究内容：研究半导体材料中的双极掺杂和调制掺杂模式及其对输运性质和器件应用的影响。从载流子空间分布的角度，探讨半导体材料（特别是低维结构）的微观结构及其相关量子效应对于载流子输运特性的影响，探索提高半导体器件性能的新途径。研究氧化物材料中的掺杂、缺陷、多组元和无序 对其功能性质（自旋极化、铁电和介电性质、光学吸收）的调制，重点探 讨在能源和功能器件方面的应用相关的基本问题。探索多掺杂 的可能性和实际
21、效果，提出设计方案。研究各种超薄膜量子限制性条件下诱发自旋极化的机理，分析掺杂和缺陷态对磁性产生的作用和贡献。揭示表面间的关 联特性以及量子尺寸效应带来的新现象和新规律，力求揭示其物理机理，并发掘其在功能器件中的应用。发展有效的电子输运理论和热输运理论，全面研究功能器件在实际工作环境下的使役行为，提出具有特定性能的功能材料的设计方案。 发展高效、高精度的基于性能的复合结构的光电子材料结构剪裁及其性能调控计算方法，确定复合结构的光电子材料在不同生长过程中的动力学性质和嵌入结构的稳定性，设计特定性能的复合结构的光电子材料微观结构。经费比例：28%承担单位：清华大学、湖南大学、南开大学课题负责人：顾秉林学术骨干：余京智、倪军、周刚、吴健、左旭、陈克求、郭永
