1、1,成都理工大学 材料学院School of Materials Science and Engineering, CDUT,计算机在材料科学与工程中的应用 Computer in MSE,上午7时37分 Miao Deng,2,1.绪论,Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989,Synthesis & Processing composition, crystal growth, thermal treatment, etc.,Structure micro-, nano-, molecular, c
2、rystal,Properties electronic mechanical optical, etc.,Performance,四个要素,上午7时37分 Miao Deng,3,1.1 材料科学与工程(MSE),1.1.1 MSE研究内容 是研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系的科学。,美国国家研究院材料科学与工程委员会 90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力 材料科学与工程领域存在四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成与加工）两个关键（仪器设备和分析建模）,上午7时37分 Miao Deng,4,1.1 材料科学与工程(MSE),1.1.2
3、MSE特点 1)是多学科交叉的新兴科学 2)有着不可分割的联系 3)有很强的应用目的和明确的应用背景,上午7时37分 Miao Deng,5,1.2 计算机MSE中的应用,计算机在MSE的应用非常广泛。材料科学是研究材料的组成与结构、合成与制备、性能与应用以及它们之间相互关系的一门科学,在所有的这些方面,计算机都发挥了非常重要的作用。 1.2.1 计算机用于材料设计20世纪50s开始；80s实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保障、条件。 1.2.2 材料数据库,上午7时37分 Miao Deng,6,1.2 计算机在MSE中的应用,1.2.3 人工智能在MSE的应用 1.2.4 计算机模
4、拟的应用 1.2.5 计算机在材料的组成和结构研究中的应用 1.2.6 计算机在材料性能表征和性能研究中应用 1.2.7 材料工艺过程的优化及自动控制,上午7时37分 Miao Deng,7,上午7时37分 Miao Deng,8,1.3 课程学习安排,1.3.1 内容安排(16h上课+16h实验) 绪论 数据与图像处理 数据库与材料设计 计算机在材料检测中的应用 互联网在材料研究中的应用,上午7时37分 Miao Deng,9,1.3 课程学习安排,1.3.1 内容安排(20h上课+20h实验)1材料科学文献检索实践（必做）掌握使用计算机应用局域网和国际互联网进行材料科学方面的文献检索 ，并
5、基本掌握计算机网络知识与文献检索基本技巧。2.材料物理场数值计算（必做）用有限差分法或有限元法对材料科学与工程温度场或应力场或浓度场分析，进行数值模拟计算。3材料试验数据计算机分析（必做）采用数据处理软件对材料试验数据分析处理，利用最小二乘法原理或其他原理求解函数以及用正交实验方法设计材料科学与工程中实际问题。,上午7时37分 Miao Deng,10,1.3 课程学习安排,1.3.2 参考书1)刘庄，吴肇基等. 热处理过程的数值模拟. 北京：科学出版社，1996. 2)乔芝郁,许志宏.刘洪霖. 冶金和材料计算物理化学.北京：冶金工业出版社，1999 3)http:/, TCW Basic M
6、anual, Stockholm, Sweden, March 2002. 4)“FACT-Win - User Manual”, C.W. Bale and A.D. Pelton, CRCT, Ecole Polytechnique de Montral, Qubec, Canada; January 1999 (http:/www.crct.polymtl.ca),11,计算机在材料科学中的应用,许淦华，叶卫平 机械工业出版社 2003,教材,上午7时37分 Miao Deng,12,上午7时37分 Miao Deng,13,上午7时37分 Miao Deng,14,2 数据与图像处理,
7、2.1数据处理方法 2.1.1最小二乘法 2.1.2一元线性拟合 2.1.3二元线性拟合 2.1.3多元线性拟合 2.1.4代数多项式拟合,上午7时37分 Miao Deng,15,2.1.1最小二乘法,p=a+bt,Q ( a , b ) 均方误差,上午7时37分 Miao Deng,16,一元线性拟合,例1.1：下表为实验测得的某一物性和温度之间的关系数据，表中x为温度数据，y为物性数据。请用线性函数拟合温度和物性之间的关系。,上午7时37分 Miao Deng,17,一元线性拟合,解方程得：a = 8.2084 , b = 0.1795 。 拟合直线为： 拟合图形为：,上午7时37分 M
8、iao Deng,18,2.1 Origin简介2.2 Origin 的基本操作2.3 应用示例,2 Origin 在实验数据处理中的应用,上午7时37分 Miao Deng,19,2.1 Origin简介,主要功能： 1、将实验数据自动画成在二维坐标中的图形，有利于对实验趋势的判断； 2、在同一幅图中可以画上多条实验曲线，有利对不同的实验数据进行比较研究； 3、不同的实验曲线可以选择不同的线型，并且可将实验点用不同的符号表示；,上午7时37分 Miao Deng,20,2.1 Origin简介,4、可对坐标轴名称进行命名，并可进行字体大小及型号的选择； 5、可将实验数据进行各种不同的回归计算
9、，自动打印出回归方程及各种偏差； 6、可将生成的图形以多种形式保存以便在其他文件中应用； 7、可使用多个坐标轴，并可对坐标轴位置、大小进行自由选择。,上午7时37分 Miao Deng,21,2.2 Origin 的基本操作,2.2.1 Origin 的安装 2.2.2 数据输入 2.2.3图形生成 2.2.4 坐标轴的标注 2.2.5 线条及实验点图标的修改 2.2.6 数据的拟合,上午7时37分 Miao Deng,22,2.2.1 Origin 的安装,按提示即可安装,上午7时37分 Miao Deng,23,2.2.2 数据输入,1、打开已装有ORIGIN软件的电脑，双击带有ORIGI
10、N字样的图标，电脑就进入工作界面。 2、在此界面上只有两列数据输入项，用鼠标点击某一单元格，输入数据，回车。其方法和Excel相仿。加果实验数据多于两列，则可将鼠标移到“Column”处点击，,上午7时37分 Miao Deng,24,7.2.2 数据输入,在其下拉的菜单中选择“Add New Columns”项，输入要增加的数据列数，单击“确定” 即可。 3、除了直接输入数据以外，我们也可以把在其它程序计算和测量中获取的数据直接引用过来，点击“File”，在其下拉的菜单中选择“Import”，在其弹出的采单中选择其中一种你所存储的数据形式。,上午7时37分 Miao Deng,25,2.2.
11、3 图形生成,单线图,1、点击“Plot”，在其下拉式菜单中选择曲线形式，一般选择“Line+Symbol”，将实验数据用直线分别连接起来，在每一格数据点上作一个特殊的记号。,上午7时37分 Miao Deng,26,2、在弹出的对话框中选择x轴和 y轴的数据列。其选择方法如下：先点击对话框左边的数据列，再点击“ X”或“ Y”，选择其作为X轴或Y轴，当选定两个坐标后，单击“OK”，就画出一条如右图的曲线。,2.2.3 图形生成,上午7时37分 Miao Deng,27,2.2.3 图形生成,多线图,在实验中常常是多条实验曲线画在一起，方法是在画好一条线的基础上（当前活动窗口为图形），点击“G
12、raph”，在其下拉式菜单中选择“Add Plot to Layer”，再在其下面选择“Line+Symbol”，系统会弹出和单线图相仿的对画框，选择需要添加曲线的X轴和Y轴，当选定两个坐标后，单击“OK”，重复以上步骤，就可以将多条曲线绘制在同一图中，有利于实验数据的分析和研究。,上午7时37分 Miao Deng,28,图7-10 多线图,2.2.3 图形生成,上午7时37分 Miao Deng,29,2.2.4 坐标轴的标注,1、将鼠标移到标有“X axis title”和“Y axis title”处，双击之，系统弹出如右图的对画框，输入坐标轴的中文名、英文字母、单位，同时可选择字体、
13、字号以及其它一些功能。,图7-13 座标轴的标注,上午7时37分 Miao Deng,30,2.2.4 坐标轴的标注,2、点击“Format”，在其下拉式菜单中选择“AxisY Axis”系统弹出对话框，点击“Title Format”，在“Title”栏中输入“压力，P（Pa）”。,图2-15 座标轴的各种设置,上午7时37分 Miao Deng,31,2.2.5 线条及实验点图标的修改,上午7时37分 Miao Deng,32,2.2.6 数据的拟合,2、点击“Tools，选择回归的方法，如图7-18所示为线性回归。,1、点击“Data”，选中要回归的某一条曲线。,图2-17 选择回归的曲
14、线,图2-18 选择回归的方法,上午7时37分 Miao Deng,33,2.2.6 数据的拟合,3、在弹出的对框中，进一步确定回归的标准，点击“Fit”（见图7-19），系统就会对所选择的曲线按指定的方法进行回归。,图2-19 确定回归指标,上午7时37分 Miao Deng,34,2.3 应用示例,例7-1：现有某活性炭吸附甲醇的实验数据，请将其制成实验数据图。实验数据如下：某活性炭吸附量实验数据,上午7时37分 Miao Deng,35,2.3 应用示例,首先将实验数据输入，然后利用上面介绍的方法，画出3条实验曲线，并注上坐标名，然后将其复制到WORD 文档就可以了。其具体图形如下：,上
15、午7时37分 Miao Deng,36,2.3 应用示例,图7-20 导入文件里的数据,图7-21 得到的数据,上午7时37分 Miao Deng,37,2.3 应用示例,全部选中上述数据，然后单击左下角工具栏的Line+Symbol图标，得到如下图Graph1.,然后按前面所说的关于坐标轴的标注及设置作修改得右图。,上午7时37分 Miao Deng,38,绘图类 raswin94.zip 绘晶体结构图的原代码,晶体结构绘图,分子3D微观立体结构的软件,可以旋转,以多个模式观看，并可以存成普通图形文件。 晶体绘制F35.ZIP 绘制晶体图（f35_eng.exe f35_doc.exe) i
16、cmlited.exe 3维分子浏览工具，是MolSoft公司出品的软件ICM的简化版,免费推出， 但功能十分强大。 cosmoplayer21.zip 用WEB显示3D图的插件 3D-CRYSTALS.ZIP 3D图形库及说明 shdem60.exe 晶体绘图 crysconI.exe 用原子坐标画粉末图 vmd16.exe 分子绘图 （原代码 vmd16sr.zip vmd-1.6.src.tar.gz） acdcs10.exe 二维分子结构绘图程序。. PWCgraph.exe Crystallographica 根据原子坐标绘晶体图、粉末图等，并对其间的关系进行分析（PASCL方式输入
17、）(Crystallographica v1.6 : Name: Team UCF s/n:,上午7时37分 Miao Deng,39,STRUPLO for Windows (version 1.0) 晶体结构绘图 Ortep-3 绘热振动椭圆图 DTMM40 是一个简单易用的(有机）3维分子模型显示、编辑与构建程序，可以以各种模式显示3维分子。 dm2demo.exe 绘晶体结构图的DEMO crystal96.zip 用晶体结构数据生成POV和 VRML文件 DRAWv24.zip 用晶体结构数据（ATOM文件）生产POV和 VRML文件的原代码 ch20w32.exe IE与NetSc
18、ape浏览器插件,安装后,可以直接用浏览器观看PDB格式的文件,直接在浏览器中观看3D分子。 WLViewerLite35.exe 3维分子浏览工具，是分子模拟公司出品的软件Weblab ViewPro的简化版,免费推出， 但功能也十分强大。可读取PDB格式及其他数种格式的分子文件 ATOMWIN40 atoms 中文汉化版,上午7时37分 Miao Deng,40,上午7时37分 Miao Deng,41,上午7时37分 Miao Deng,42,上午7时37分 Miao Deng,43,上午7时37分 Miao Deng,44,上午7时37分 Miao Deng,45,上午7时37分 Mi
19、ao Deng,46,上午7时37分 Miao Deng,47,Hydroxyapatite,上午7时37分 Miao Deng,48,上午7时37分 Miao Deng,49,上午7时37分 Miao Deng,50,Aragonite 、Calcite X衍射对比图,上午7时37分 Miao Deng,51,四面体层,八面体层,四面体层,层间域,惰性氧,Si、Al,活性氧、OH,Mg、Al,惰性氧,Si、Al,活性氧、OH,单元结构层,上午7时37分 Miao Deng,52,滑石：Mg3Si4O10(OH)2,叶腊石：Al2Si4O10(OH)2,上午7时37分 Miao Deng,53
20、,白云母：KAl2AlSi3O10(OH)2,黑云母：K(Mg、Fe)3AlSi3O10(OH)2,上午7时37分 Miao Deng,54,数据库,化合物3D晶体结构 化合物3D图形晶体结构 化合物晶体结构数据 化学结构数据库 矿物数据库1 矿物晶体结构数据库,XPS AES UPS ESCA 数据库及 ICSD无机晶体结构数据库 免费光谱数据库 有机化合物数据库 IR，MS，UV和热力学参数等 矿物数据系统 CCDC 剑桥有机晶体结构数据 ICSD 无机晶体结构数据库,上午7时37分 Miao Deng,55,Materials Studio GSAS ATOMS DIAMON JADE
21、XPERT XPOWDEW ,ICSD PDF ,DATA FROM LAB.,DATA FROM LAB.,上午7时37分 Miao Deng,56,ICSD 国际晶体结构数据库 PDF 粉末衍射数据库 CCDC 剑桥晶体结构数据库 ,上午7时37分 Miao Deng,57,PCPD,上午7时37分 Miao Deng,58,PCPD,上午7时37分 Miao Deng,59,FindIT,上午7时37分 Miao Deng,60,FindIT,上午7时37分 Miao Deng,61,FindIT,上午7时37分 Miao Deng,62,FindIT,上午7时37分 Miao Deng
22、,63,CCDC,上午7时37分 Miao Deng,64,CCDC,上午7时37分 Miao Deng,65,CCDC,上午7时37分 Miao Deng,66,Crystal and molecular structure visualization,上午7时37分 Miao Deng,67,DIAMOND,上午7时37分 Miao Deng,68,DIAMOND has just been started,上午7时37分 Miao Deng,69,Menu of DIAMOND,上午7时37分 Miao Deng,70,The crystal structure c60,Data hav
23、e been imported from the file c60.cif,上午7时37分 Miao Deng,71,Polyhedron view of the b-cage in Faujasite,上午7时37分 Miao Deng,72,Polyhedron view of the b-cage in Faujasite,上午7时37分 Miao Deng,73,上午7时37分 Miao Deng,74,Jade,上午7时37分 Miao Deng,75,Jade 数据格式(*.MDI),上午7时37分 Miao Deng,76,上午7时37分 Miao Deng,77,数据点开始行,每行?个数据点,角度数据列开始 位置和列数,强度数据列开始 位置和列数,文件名扩展,文件名，样品相 关信息，文件名 长度可适当留长 一些，如80个字 符长,上午7时37分 Miao Deng,78,上午7时37分 Miao Deng,79,上午7时37分 Miao Deng,80,Three models in the same structure picture reveal different aspects of the crystal structure of quartz,
