基于集成计算的材料设计基础科学问题

2023年12月10日发(作者：当我们都老了)

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项目名称： 基于集成计算的材料设计基础科学问题

起止年限：依托部门：杨锐 中国科学院金属研究所

2011.1至2015.8

中国科学院

首席科学家：

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-Möbius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1~2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）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。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。

服务

应

用

方

法

晶格反演方法的拓展(1)

外场下原子扩散与反应的理论处理(3)

跨尺度关联机制与算法研究(2)

材料微观结构和量子效应的功能材料集成设计(5)

实用钛合金关键性能相关集成计算(4)

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)

研究层面、研究内容与课题设臵及其支撑关系(数字为课题号)

2. 本项目创新点与特色

（1）以我国独创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-Möbius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-Möbius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：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：16.8%

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1~2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

四、年度计划

年度

研究内容 预期目标

（1） 计算稀土金属间化合物（1） 改进稀土及锕系金属间化合物势库，促进势库的应用发展。RT+B系列结构及其热m+n5m+3n2n力学性质，预测该系列中实验上尚未合成的一些化合物。系统地建立大多数常用纯金属材料的晶格反演EAM势，为构筑合金势奠定坚实的基础。

（2） 应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合金势的有效途径。获得界面体系多体势的方案，对金属/半导体界面体系进行应用和校验完善。

单晶高温合金中局域缺陷与其（2） 提出计算力的高精度算法方第

一

长程环境的耦合机制及物理边界问题。结合分子动力学和第一原理方法，研究镍基单晶高温合金中掺杂元素对裂纹的传播路

径、裂纹传播速度的影响。考虑

案，并编写相关程序。预测掺杂元素对裂纹扩展性的影响。获得优化成分的试验用单晶合金。

合金成分设计方案，进行多种模

型合金和性能合金成分设计。

年

（3） 获得钛、镁合金在不同微量合（3） 计算含碱土金属和过渡族金化元素掺杂下的最稳定结构，金属元素的钛合金、镁合金中界面析出相的晶体结构与生成焓。研究金属间化合物表面的有序无序现象和钙钛矿结构过渡金属氧化物、铁电与多铁材料中的界面位错问题。

建立钛、镁合金析出相热力学参数数据库。得出复杂氧化物表面的结构特征，表面弛豫与重构的规律，给出几种典型铁电与多铁氧化物的位错核心原子构型和电子结构。

（4） 原子模拟位错反应与点缺（4） 给出位错反应的基本形式，产陷的形成、反应产物的长时间演生缺陷的构形，反应产物的长时化动力学及其与位错运动之间

间稳定结构，反应产物与位错之 年度

研究内容

的关联；研究合金原子在TiO2及Al2O3中的相对分布及其对相对稳定性的影响；相场法研究钛铝金属间化合物中片层组织形成、片层密度以及界面类型控制的原理和方法。

（5） 研究半导体中的双极掺杂预期目标

间的相互作用规律等；得到不同合金元素在几种氧化物中的能量，分布规律，以及不同合金元素对氧化物稳定性的影响；得到钛铝金属间化合物中特定片层组织的形成规律，为钛铝化合物微观组织控制指明方向。

和调制掺杂模式及其对电子结（5） 实现杂质和主体更好的结合，构、输运性质和器件应用的影响，探讨提高载流子浓度的途径。研究氧化物掺杂对其结构特征和电子性质的效应。模拟超薄膜的微观结构特征和基本物性，

研究量子限制性条件下诱发自旋极化的机理。

（1） 利用晶格反演方法对FeAl系（1）

合金势进行研究。通过分子动力学模拟预测B2-FeAl、DO3-Fe3Al等的基本物性。用改进的界面势构筑移植性较好的FeAl系提出同种材料的双极掺杂方案以及调控载流子寿命的方式。了解掺杂和缺陷态对低维材料磁性和极化性质产生的作用。

晶格反演EAM合金势。通过对界面的位错结构的研究，进一步完善界面体系多体势的获取方案，同时研究界面的位错结构和动力学行为。

第

二

年

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等动力学行为。

（2） 在静态能量密度方法的基础（2）

上，初步尝试其动态耦合机制。探索在应变状态下镍基单晶高温合金掺杂元素的扩散行为及相关多尺度耦合机制。应用分子

动力学方法，研究镍基单晶高温

合金中裂纹裂尖区位错等缺陷

提出新型高精度插值算法，提高大尺度计算整体运行效率。给出多化学组元协同效应的相关规律。

年度

研究内容

的运动演化。研究掺杂元素（Re、

预期目标

Ru、W、Co、Cr、Mo等）在镍

基单晶高温合金中扩散行为及

其对高温合金筏化和蠕变的影（3） 弄清时效处理产生系列脱响。

溶析出相的动力学原因。完善镁（3） 采用密度泛函理论方法计算随合金成分与析出相结构变化的合金母相/析出相的费米能级。在原子尺度上计算研究加载速率和点缺陷对合金中不同晶体取向裂纹扩展过程的影响。研铝合金及其中典型析出相的电子能级信息。了解晶体在所引入不同晶体取向裂纹作用下的断裂机理。给出复杂氧化物表面的极化补偿机制；确定界面失配位错应力场对铁电极化的影响。

究过渡金属氧化物表面的电子

结构，模拟不同基体的界面失配

位错应力场分布。

（4）

（4） 分子动力学模拟探索疲劳与加工硬化过程中的有效位错反应及作用；疲劳过程中位错与晶界的相互作用、裂纹萌生与特定微观组织的关系；研究合金原子对Al及O的溶解极限的影响；研究合金原子对氧化物中点缺陷浓度及其扩散速率的影响。

研究不同微观结构中载流子在外场中的行为及其调制方法，探讨半导体微观结构及其相关量子效应对载流子输运特性的影响。重点研究氧化物中的掺杂、缺陷、多组元和无序对其功能性质的影响。

得到特定条件下位错与晶界的相互作用，位错的穿越，吸收及其对晶界结构的影响；晶界附近裂纹萌生的临界条件；获得不同合金元素对氧化物中溶解极限的影响趋势，以及合金元素对空位及间隙原子浓度和扩散速率的作用规律。

（5） 发展研究微观结构、载流子分布和输运的理论模型和计算方法，判明影响载流子空间分布的关键因素及其作用机理；提出针对能源利用的材料掺杂改性方案。 年度

研究内容 预期目标

（1） 从金属/氮化物等简单结构界（1） 获得适用性较好的Cu-Ta-Si体系阻挡材料原子间相面出发，进而发展碳化物/碳化物，碳化物/氮化物，氮化物/氮化物等复合界面，以及金属-碳化物-氮化物的多重复合界面的研究。

（2） 研究基于DIIS方法并适合于多化学组元复杂体系求解的自洽迭代收敛加速方法。探索化学元素对于材料力学性能的影响互作用势库，进行系列性的大规模分子动力学模拟，获得表面弛豫、界面特性、中间缓冲层等原子级图像，为此类材料的原子级研究奠定基础。

（2） 基于键合方程的分析计算提出多化学组元协同效应的跨局域区域耦合机制。完善物理参量解析传递方法,结合第一原理计算,为镍基单晶高温合金成分设计提供理论基础。

计算观察在不同载荷作用第

三

以及不同化学组元之间的协同效应。基于第一原理电子结构计算，研究合金界面的断裂性质和界面析出取向特征以及界面原子化学构型与劈裂能及位错滑（3）

移的相关性。

下界面裂纹的形成和扩展过程，给出微观尺度下合金系统界面应力和界面破坏之间的内在联系。建立点缺陷和表面原子结构、电子结构和光学性质的联系。得出表面的有序无序现象对催化性能的影响；在综合考虑掺杂、表面及分子吸附和电荷转移等因素的情况下，提出一种新的光催化剂设计方法。

年

（3） 结合第一原理计算和准连续介质方法设计准确高效合金应力腐蚀过程多尺度耦合模拟算法。在原子尺度上计算研究合金基体上多层膜界面裂纹萌生与扩展的临界条件。探索金属间化合物纳米结构中有序畴的调控在催化剂设计中的可能应用；研究H2O、NO及有机分子在半导体表面的吸附及半导体激发粒

子与吸附分子轨道之间的作用。

（4） 基于电子结构层次上的计算

（4） 得到基本的能量信息，分析获得不同合金元素添加对高 年度

研究内容

模拟，分析合金原子影响TiAl抗高温氧化性能和医用钛合金相变路径的物理机制。结合原子模拟信息，建立变形组织的相场模型，探索变形对钛合金中网篮、细晶组织等特定微观组织的影响规律。

（5） 研究不同外场和化学环境下半导体和氧化物表面和界面微观结构对其光-电-磁-热性能的影响。模拟薄膜的合成和生长机制，分析表面重构和表面弛豫，建立表征表面电子态的模型和计算方法，系统研究功能性超薄膜，探索可能的低维量子器件构筑方案。

（5）

预期目标

温氧化和正交相变机理的作用。获得相场动力学模拟所需的形变模型，并通过考虑不同阶段的形变，在相场动力学模拟中给出不同因素的相对影响强度。

提出构筑若干功能电子和自旋器件的思路。理解半导体和氧化物表面活性及其在外延生长、催化和氧化方面的作用。

（1） 利用晶格反演方法对TiAl系（1） 得到移植性较好的TiAl系晶合金势进行研究。并进行系列性的应用检测。

格反演EAM合金势。

（2） 获得多化学组元协同效应的跨尺度耦合机制。对镍基单晶高温合金多化学组元协同效应给出量化判断，给出化学元素以及不同组元协同效应对合金蠕变断裂寿命的影响机制。

（3） 理解合金元素扩散行为与界面滑移和位错运动之间的内在联系。揭示裂纹在合金材料中传播、生长的机制和规律，澄清氢第

（2） 研究LmBFGS算法，并应用于

四

年

原子结构的弛豫。基于第一原理结合分子动力学模拟，探索Re、Ru等合金化元素与相界面上的错配位错相互作用以及合金化元素偏聚性及多化学元素协同效应。

（3） 进行合金元素扩散系数与环境温度关系的理论研究；在电子 年度

研究内容

与原子尺度上进行氢与合金中组元原子间的相互作用影响裂纹形成及其扩展的计算研究。根据界面位错结构与极化性能的耦合关系设计性能可控的铁电薄膜和铁电纳米结构。

（4） 针对钛合金的疲劳断裂行为，原子模拟疲劳过程中位错相互作用，位错花样的形成及其对后续变形的作用；探索变形工艺及后续热处理对织构的影响，给出合金织构控制的可行路线。

（5） 探讨半导体多掺杂的可行性及其对电子性质、自旋极化和输运性质的影响。研究具铁电、压电的多元氧化物体系的介电、磁、磁电耦合行为，并探讨其可能的应用。

预期目标

元素在外加载荷条件下对裂纹形成临界条件的影响机制。设计2至3种新的铁电与多铁性纳米结构。

（4） 阐明疲劳条件下的典型位错相互作用的原子机制；得到不同变形工艺下的微观组织特征，特别是织构等的形成趋势及其与相变的交互作用，提出控制建议。

（5） 发展多元氧化物的计算方法，计算材料中的磁电耦合效应，确定最优的多掺杂设计方案。设计出1~2项有重要应用前景的新型功能量子器件。

（1） 利用晶格反演方法对CoAl系（1） 得到移植性较好的CoAl系晶第

合金势进行研究。模拟计算B2-CoAl、L12-Co3Al等的基本物性，检验并改进CoAl系合金势。

格反演EAM合金势。对改进的界面原子势势库进行及稀土及锕系金属间化合物势库进行总结。

五

（2） 研究多尺度-跨层次耦合机

年

建立QM/MD的动态耦合方法。探讨关键元素作用机理，完善性能合金成分设计，探索镍基单晶高温合金中疲劳裂纹的传播。

制及物理边界的科学表述，探索（2） 获得适合大体系新型LmBFGS算法，实现复杂结构的弛豫算例。揭示高代次单晶高温合金中关键元素的强化机制，不同化学组元协同效应对合金蠕 年度

研究内容

（3） 全面开展镁合金典型晶界电偶腐蚀过程的Car-Parrinello 第预期目标

变断裂寿命的影响规律，给出具有自己特色的合金成分。

一原理分子动力学模拟。完成合（3） 建立合金在有水环境下电偶金材料应力腐蚀开裂过程多尺度耦合计算模拟软件包的研制。研究气体分子与过渡金属氧化物和金属间化合物表面的相互作用机理；根据过渡金属氧化物和金属间化合物的表面结构特征和电子态设计新的催化剂。

（4） 揭示疲劳裂纹萌生的原子机制，为实现疲劳性能的微观组织腐蚀电化学问题第一原理理论模拟研究方法。在电子层次上理解产生晶间腐蚀、应力开裂等现象的本质因素，给出理论上的防范措施。获得复杂表面的气体吸附状态、轨道相互作用、电荷转移机制、以及催化反应机制；设计出基于氧化物与金属间化合物的环境与能源催化剂。

优化设计提供方向性指导；研究（4） 得到疲劳裂纹形核长大的基钛合金中高温变形微观组织的变化，预测特定变形条件下的织构特点，为变形微观组织的控制奠定基础。

（5） 发展有效的、外场下材料性能计算方法，研究半导体和氧化物功能材料表面间的关联特性及本机制；给出特定变形条件下钛合金微观组织的变化规律；得到变形条件与织构特点之间的关联，以此指导变形工艺的确定；根据部件组织控制的需求，模拟给出所需的变形和热处理条件，辅助部件加工工艺条件的确定。

量子尺寸效应相关新现象和新（5） 揭示材料表面微观结构导致规律，全面研究功能器件在实际工作环境下的使役行为。项目总结。

的新性质的机理，以此为基础优化微观结构，提出具有特定性能的功能材料和器件的设计方案，并阐明其在实际工作环境下的行为。

一、研究内容

（1）材料计算核心方法与工具的深入研究

虽然计算材料学的前锋已进入以材料集成计算为主题的第三发展阶段，作为学科基础的很多核心方法仍在发展中。针对与本项目目标紧密相关的关键方法继续开展深入研究，在支撑本项目的同时也将推动学科发展与成熟：

①晶格反演方法的拓展。界面间原子间相互作用势的获取一直是国际上公认的难点。拟在已有基础上研究界面原子配位环境与界面反演势的关系，从二体势通过修正亚稳态粘接能曲线得到三体势，从处理简单结构界面深入到复合界面以及诸如金属-碳化物-氮化物的多重复合界面。采用Chen-Möbius晶格反演方法改进广泛使用的EAM势，扩大新方法在真实合金模拟领域的应用。

②跨尺度关联机制与算法研究。在已有多尺度能量密度方法及跨层次物理参量解析传递方法基础上，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，实现千量级原子及复杂结构缺陷体系的第一原理计算。基于第一原理建立多组元原子间相互作用势的理论模型及能量函数表述，揭示多化学组元协同效应的基本规律。

③外场下原子扩散与反应的理论处理。材料蠕变、应力腐蚀、电位腐蚀等均与原子在不同外场作用下扩散行为及交互作用有关。将分别采用有限元和原子尺度的分子静力学结合的准连续介质方法、Car-Parrinello动力学模拟与高精度量子蒙特卡洛计算结合等方法对这类复杂过程加以描述。

④晶格缺陷的结构表征与性能预测。很多功能材料的性能受限于其晶格缺陷结构。将研究复杂表面的结构与催化效率、位错应变场对铁电极化的影响，以及光催化性能与点缺陷的电子态的关系，提出相应方法与性能预测模型。

（2）材料集成计算及其应用演示

不同于以往将单项、个别计算结合到材料设计中去的方法，材料集成计算强调整合各种计算模型与方法，针对关键问题给出尽量完整的解决方案。拟针对具有重要应用的关键材料基础问题开展下列研究。

①实用钛合金关键性能相关集成计算。疲劳等关键问题取决于合金热加工过程的微观组织的晶体学特征，加载过程中各类形变机制的交互作用以及缺陷演化，涉及第一原理、分子动力学、相场与有限元多种模拟技术的综合。本研究将重点针对钛合金在航空发动机应用中的这一核心问题开展材料集成计算。

②材料微观结构和量子效应的功能材料集成设计。如何在半导体器件中克服或利用量子效应，是当前功能材料研究的难点。拟研究若干种关键半导体材料（如Si基材料和超薄膜材料）和氧化物材料（如铁电材料等）在光电器件、传感器、场效应管等方面的应用，发展精确预测这类复杂材料体系在实际工作条件下各种性能的集成计算方法，以材料的微观结构为基础进行功能材料的设计。

（3）材料计算设计平台与工具的开放服务

开放重大项目研究成果由社会共享是973项目的目标之一。本项研究将在整合前期丰富研究成果基础上，建成以下材料计算设计的平台与若干重要工具，对我国工业界和学术界开放，促进学科发展和工业应用。

①原子势库。原子间相互作用势是很多计算模拟的基础，稀土及锕系-过渡金属原子间的相互作用势对我国特色资源利用及材料发展极为重要。本项目创建的这一重要科学资源将提供开放服务。

②若干材料计算新方法与程序。包括利用晶格反演方法改进的EAM势，大尺度快速收敛及并行算法，GPU结合分子动力学的材料力学行为模拟方法等。

③超级计算平台及相关资源。中科院沈阳超级计算分中心和清华大学材料设计虚拟实验室在经过本项目对材料计算资源与方法有效整合后将提供开放服务。

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