計算機模擬在材料實驗教學中的應用

滕 鑫，唐頌超，李水強

（華東理工大學 材料科學與工程學院，上海 200237）

在材料科學研究逐步深入的情況下，材料科學在工業生產中的地位越來越重要，在國民經濟中的作用越來越大，使得材料科學研究在傳統材料中的應用也越來越廣泛，新材料的研究方面也有了很大的發展。通過計算機模擬可以有效地節約研究成本，它具有極強的靈活性與隨機性［1］。在實驗教學中，由于實驗反應復雜，很多物理、化學反應過程在密閉的高壓、高溫、鋼制圓筒中進行，導致學生往往只知其大致規律，而無法掌握其精確的物理、化學規律，此時計算機模擬就發揮著不可替代的作用，它可以很好地幫助學生去了解實驗過程，從而達到預想中的實驗教學效果。

1 計算機模擬的相關特征

（1）計算機模擬具有多感知性［2－4］：計算機模擬的多感知性不但具有普通計算機技術的視覺感知，還有聽覺、力覺、觸覺、運動的感覺，它包含了味覺、嗅覺等不同的感知。

（2）計算機模擬具有浸沒感：計算機模擬的浸沒感還可以叫做臨場感，當用戶感到自己是以主角的身份存在于模擬環境中時，借助于這種理想的模擬環境讓用戶難分真假，所有的用戶會完全投入到計算機創建的三維虛擬環境中，好比生活在現實世界中［5］。

（3）計算機模擬具有交互性：計算機模擬的交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度及從環境中得到反饋內容的感應。

（4）計算機模擬具有構想性：計算機模擬的構想性主要對虛擬現實技術進行了強調，使它具有廣闊的、可以想象的空間，并能夠通過某種技術將人類認知范圍加以拓寬，不但可以在某種程度上將再現真實存在的環境，也可以對客觀不存在的，有時是不可能發生的環境產生某種隨意的構想。

2 計算機模擬在材料科學中的應用

2.1 計算機擬在新材料的結構式設計中的應用

高分子材料有成千上萬種，但真正有用處的不到1%［6］。計算機模擬主要是借助于理論與分子空間結構產生新材料的組成，從而產生某種結構與性能，還可以借助于某種理論進行訂做，這在某些特定的條件下還可以產生某些特殊的性能，設計出新的材料，如果按不同的生產要求進行設計，還可以得到最佳的制備及加工方法。實驗材料的設計可以通過設計對象和所涉及的空間尺寸進行劃分，并得到相應的電子層次、原子、分子層次的微觀結構設計，通過顯微結構層次材料分析出更深層次的設計結構，為實現高分子的設計，還要做好以下幾點工作：

（1）進一步建立與積累和某些性能相關的研究，尤其加強對材料的制備和加工的重視，在日積月累中確定性能的定量與半定量關系；

（2）進一步確定高分子的相關設計，確定高分子的相關理論體系；

（3）建立分子的結構模型，完成聚合物性能的數理模型、聚合物的合成等，在加工過程中得出數學模擬方程及相關計算方法［7］；

（4）根據“性能—結構—合成—加工”的相關數據庫完成聚合物的形成與加工等。

在實驗中完成上面所述的各項工作，需要實驗者付出大量的驗證時間和消耗大量的原料成本，但通過計算機模擬設計軟件，可以發現很多優秀的高分子結構，他們具有設計者要求的所有特性，并且結構合理，易于得到。在幫助設計者篩選出這些高分子化合物的同時實現了降低實驗人員的驗證時間和工作量，運用較少的原料實現制備材料，實現聚合物的模型化，并對分子設計過程實現隨意的控制。圖1為計算機模擬軟件設計出的有機太陽能菁染料。

2.2 計算機模擬在實驗教學中的應用

2.2.1 在高分子成型加工方面的應用

圖1 計算機分子結構設計軟件設計的材料類化合物

計算機模擬主要是利用某種特定的實物體系對計算機實施的模擬實驗。可以把各種模擬結果與實際的實驗數據做全方位的比較，通過這種方式能夠檢驗模型的正確程度，還能夠檢驗出模型導出的解析理論，并在此基礎上得到簡化，最后取得各種模擬實驗的成功［8］。另外，還可為模型和實驗室中未能實現的探索模型進行更加詳細的預測，在進行預測時還可以提出不同的設計方法。計算機模擬實驗材料的科學研究主要通過計算機對真實系統進行模擬實驗得出，并通過各種實驗提供模擬的數據，并得出各種結果，以此對新材料的研究加以指導，這是完成材料設計中最有效的方法。高分子材料成型加工實驗是材料類專業學生的重要的教學實驗，它是獲取高分子材料制品、體現材料特性和開發新材料的重要手段。早在上世紀六、七十年代，新的高聚物就不斷地被合成出來，具有獨特性能的高分子材料也不斷地被發現［9］。然而許多新材料至今未能取得廣泛的應用，原因之一就是受限于成型加工技術的發展，因為整個高分子成型加工實驗被科學家稱之為“黑箱”，就是因為整個反應無法直接地觀測到。而通過計算機模擬可以讓學生很直觀地感受到整個加工過程，從而很好地提高認識。圖2為高分子成型加工實驗教學時擠出過程的教學模擬圖。

圖2 高分子成型加工教學中的計算機模擬圖

2.2.2 計算機模擬在鑄造實驗教學過程方面的應用

實驗教學過程中，利用計算機進行模擬能夠對鑄造工藝參數、設備和生產過程做出準確、快速的模擬檢測及控制。教學中的計算機模擬技術還能對成型方法與工藝進一步優化，完成材料的制備成型，通過對各個過程的精確設計與控制完成全過程的加工［10］。學生在觀察鑄造時可以利用模擬技術完成產品的設計與鑄造。對于鑄造時進行的計算機模擬可以由宏觀模擬發展到微觀的模擬層次，這種模擬主要是通過微觀組織形態的計算機模擬實驗來完成。通過對形核、生長過程進行模擬，對鑄件凝固過程做出了簡單的預報工作，對其中的晶粒形貌有了大體的了解，使學生很容易就明白這一過程中的各個參數值的變化，可以得到不同的計算分析工藝參數，使得鑄件在設計與鑄造工藝中得到相關的驗證與優化，從而得到了比較合格的鑄件［11］。通過模擬可以實現連續焊接、電阻焊接、淬火、電磁硬化、熱電化學處理和表面處理等各個過程［12］，利用計算機軟件中的新型工程技術資料庫對用戶實現可模擬的真實焊接過程。

2.2.3 計算機模擬在實驗教學的輔助控制方面的應用

實驗教學中通過計算機輔助控制可以很好地避免實驗原料的浪費、避免學生直接接觸有毒、有害化學原料，提高實驗教學效率。利用微機與可編程控制器對材料進行加工，在這種加工過程中還可以將這種發展趨勢做進一步的應用。通過對材料的加工，對計算機的充分利用，使計算機技術可以起到降低勞動強度的作用，在此基礎上還可以對產品的質量和精度加以改善，使產量得到不同程度的提高。通過計算機模擬可以實現材料加工工藝過程的優化，實現對其完全控制。比如可以利用計算機對工藝過程的數學模型做好模擬工作，可以借助于計算機對整個過程加以控制。在對材料進行制備的過程中，通過計算機模擬還可以實現整個過程的精確控制。比如對材料表面進行熱處理時，對爐溫進行控制等。利用計算機技術與微電子技術、自動控制技術可以促進工藝設備、檢測手段的準確程度及精確度的提高。這時的控制技術也會從剛開始的最簡單的順序控制逐步發展為數學模型的在線控制及統計過程的控制，還可以將這種分散的個別控制逐步改變為計算機綜合管理與控制，不斷提高它的控制水平，增強其可靠性，使各種性能都得以保證，這樣也可以提高學生多方面的能力。

2.3 計算機模擬技術在實驗教學后期數據和圖像處理方面的應用

實驗教學結束后要將實驗中得到的相關數據存儲在計算機中，并對這些數據做好存儲與處理，對材料的性能及凝聚態結構做深入的分析，分析出他們之間的關系，總結出各個數據之間的聯系。利用計算機圖像處理和分析功能完成材料結構的正確分析，對其結構進行分析后，可以研究晶體的大小、分布、聚集方式等方面的問題，我們將這些信息與材料間建立各種聯系，并可以完成結構的相關研究。

計算機模擬數據處理還可以在實驗教學中使學生做好課程的預想。例如加工金屬材料采用的方法是鑄造、焊接及鍛壓，工藝過程相對比較復雜，還要受高溫、動態、瞬時的影響，很難實現直接性，可以先通過計算機模擬來得知結果，然后對材料進行物理、化學、冶金變化使其成型的研究，思考并模擬這些狀態的計算方法，這樣可以很好地達到期望的教學效果。計算機分析在材料檢測中有著很好的應用，可以完成對材料的成分、組織結構與物相、物理性能的檢測，還可以借助某種探測器內的不同信號實現信號的轉化與傳輸，再利用程序員編制的相關程序完成數字信號的判斷與處理，讓學生明白材料檢測的作用。例如對能譜分析儀、X射線儀、超聲波無損檢測儀及萬能材料實驗機所做的計算機處理工作就是一種成功的典范［13］。圖3為計算機模擬太陽能電池對吸收光譜寬度的一個數據預判斷，通過計算機模擬結果可以得知所制備的器件的特點和優越性，從而可以很好地安排后期的實驗教學。

圖3 計算機模擬對實驗數據的分析圖

3 結束語

材料科學是通過多種學科交叉產生的新興學科，它的發展還不夠成熟，有待進一步的發展。當前對它的研究主要依靠實際與經驗的積累，對其進行系統地研究的道路還很漫長。計算機可以較好地解決實驗教學、科研項目方面的一些問題，縮短研究時間和研究成本，可以大大加快研究進程。在實驗教學方面，計算機模擬技術作用更加顯著，在現階段各個高校實驗資源匱乏的大前提下，可以通過計算機模擬建立網上的虛擬實驗室等手段來促進實驗教學［14］。總之利用計算機模擬技術為材料實驗教學服務是今后各個高校研究的重要課題。

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［1］杜小清.高分子材料成型加工實驗教學的改革與探索［J］.廣東化工，2011，38（8）：209－211.

［2］王健 ，王慶利.基于Web的虛擬實驗室建設策略與關鍵技術研究［J］.中國電力教育，2012（10）：115－116.

［3］麥裕華.Java模擬實驗支持化學平衡原理教學的設計與省思［J］.化學教學，2011（5）：18－20.

［4］滕鑫 ，李水強.實驗教學中心網絡化管理系統的開發探索［J］.實驗技術與管理，2011，28（9）：99－101.

［5］江濤，萬勇.經典概率事件的計算機模擬實驗的設計與實現［J］.衡陽師范學院學報，2012，33（3）：166－168.

［6］李紅，陳東升.高職院校實驗與實驗室建設初探［J］.湖南人文科技學院學報，2012（1）：112－114.

［7］高曉明.吹塑薄膜的厚薄精度控制及"自動風環"技術簡述［J］.國外塑料，2005，23（7）：44－45.

［8］劉維.電子顯微鏡的原理與應用［J］.現代儀器使用與維修，1996（1）：45－48.

［9］胡如會，曾造.化學實驗基本操作計算機模擬［J］.畢節學院學報：綜合版，2012，30（4）：114－117.

［10］方振漢，余環虎.以實驗教學改革提升學生創新動力的探索［J］.中國電力教育，2012（10）：104－105.

［11］張欽，張國毅.高校教學科研儀器設備的維修與管理［J］.遼寧醫學院學報：社會科學版，2007，5（2）：49－51.

［12］陳益娥.淺談高校實驗室改革與管理［J］.科技情報開發與經濟，2007，17（5）：253－255.

［13］陸文明，趙敏祥，蔣來.高校跨學科科研團隊建設研究［J］.科技成果縱橫，2006（2）：40－41.

［14］郭麗萍，劉小青.有機化學綜合設計型實驗的計算機模擬［J］.計算機與應用化學，2006，23（2）：183－186.