计算材料学专题

课程编码：280216085601M3004 英文名称：Special Topics in Computational Materials Science 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业课 主讲教师：刘建军

计算材料学（Computational Materials Science）是材料科学与工程专业的专业课程，是关于材料结构和性能的计算机模拟与设计的学科，它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料科学是材料研究领域理论研究与实验研究的桥梁，在现代材料学领域中，计算材料学已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究手段。本课程从微观粒子（原子、分子）到宏观连续体尺度，将介绍基于计算机技术的热力学方法，以及如何使用它来指导计算模拟和材料设计以获得预期结构和性能。内容涵盖数值模拟、数据处理、统计分析、数据可视化等相关技术和软件。在不同空间/时间尺度范围的计算方法常常是交叉和联合的，本课程着重讲述第一性原理从头计算法（ab initio calculations）、分子动力学模拟（Molecular dynamics simulation）、相图计算（CALPHAD）方法和有限元方法（Finite element method）等相关概念、思想和方法。最后，将通过具体实例分析，教授结合理论计算解决实践问题的方法。
通过本课程的学习，将使学生初步掌握材料研究过程中常用的基本计算机模拟方法和原理，了解计算机模拟技术在材料学中的应用，开发理论与实践相结合的科研思考方式。针对材料研究领域的特点，结合学习材料科学基础和计算机技术，了解模拟方法研究材料问题的一般步骤和方法，为学生进入研究所从事科研工作之前打下坚实的专业基础。

要求学生具有高等数学、材料科学基础、专业英语等课程的基础知识。如果具有材料热力学、固体物理、量子力学等知识更佳。

第一章 绪论 3.0学时 刘建军
第1节 计算材料学发展历史
第2节 空间与时间分类方法
第3节 集成计算材料与材料基因工程
第二章 量子力学基础 7.0学时 刘建军
第1节 波函数与薛定谔方程
第2节 算符与力学量
第3节 电子在库仑场中的运动
第4节 自旋与全同粒子
第5节 微扰理论与变分原理
第三章 第一性原理计算方法 8.0学时 刘建军
第1节 第一性原理的概念和发展史
第2节 晶体结构与晶体对称性
第3节 电子能带结构
第4节 密度泛函理论
第5节 VASP程序介绍
第6节 计算实例
第四章 分子动力学模拟方法 8.0学时 刘建军
第1节 分子动力学基本思想
第2节 分子运动方程的数值求解
第3节 物质的势函数
第4节 系综原理
第5节 性能分析及其应用
第五章 相图热力学计算方法 7.0学时 刘建军
第1节 热力学和相图概述
第2节 CALPHAD方法介绍
第3节 晶格稳定性
第4节 常用热力学模型
第5节 CALPHAD计算应用实例
第6节 相图拓扑学
第六章 有限元方法 7.0学时 刘建军
第1节 有限元方法的简介及用途
第2节 软件介绍
第3节 材料的静力学分析基础
第4节 材料的动力学分析基础
第5节 材料的热学分析基础

刘建军，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，中科院杰出人才（2012）与上海市优秀学术带头人计划（2020）获得者。2002年博士毕业于吉林大学理论化学研究所，2002年在德国马普所做访问学者，2003年1月赴美国Emory埃莫瑞大学的科学计算中心从事博士后研究工作，2005年后在美国南伊利诺伊大学做助理科学家，2012年开始在中国科学院上海硅酸盐研究所工作。主要发展先进计算电化学方法，并计算筛选设计新型电化学储能材料，开展材料结构设计与性能优化计算与实验研究。在Nature Commun, Chem, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Adv Mater, Energy Environ Sci 等发表论文百余篇。应邀为Springer等出版社撰写4部英文书籍章节，担任2部英文书籍主编。承担国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金委重点与面上项目、上海市科委重点项目等。