計(jì)算材料科學(xué)導(dǎo)論：原理與應(yīng)用

目錄
譯者前言
原書前言
第1章 材料建模和模擬導(dǎo)論 1
1.1 建模與模擬 1
1.2 計(jì)算材料科學(xué)與工程 2
1.3 材料結(jié)構(gòu)和行為的尺度 2
1.4 如何開發(fā)模型 4
1.5 本章小結(jié) 6
第一部分 基礎(chǔ)知識(shí)
第2章 無(wú)規(guī)行走模型 7
2.1 擴(kuò)散的無(wú)規(guī)行走模型 7
2.2 與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)聯(lián) 9
2.3 體擴(kuò)散 14
2.4 無(wú)規(guī)行走模型的實(shí)施 15
2.5 材料學(xué)的無(wú)規(guī)行走模型 21
2.6 本章小結(jié) 22
第3章 有限系統(tǒng)的模擬 23
3.1 物體相互作用對(duì)的求和 23
3.2 完美晶體 25
3.3 截止域 27
3.4 周期性邊界條件 28
3.5 實(shí)施 30
3.6 長(zhǎng)程作用勢(shì) 31
3.7 本章小結(jié) 32
3.8 附加內(nèi)容 33
3.8.1 Ewald方法 33
3.8.2 快速多極方法 36
3.8.3 球截止庫(kù)侖電勢(shì) 38
第二部分 原子和分子
第4章 電子結(jié)構(gòu)方法 40
4.1 多電子系統(tǒng)量子力學(xué) 40
4.2 早期密度泛函理論 42
4.3 Hohenberg-Kohn定理 46
4.4 Kohn-Sham方法 46
4.5 交換-關(guān)聯(lián)泛函 49
4.6 波函數(shù) 50
4.7 贗勢(shì) 52
4.8 密度泛函理論的應(yīng)用 54
4.9 本章小結(jié) 55
第5章 原子間作用勢(shì) 57
5.1 內(nèi)聚能 57
5.2 原子間相互作用 58
5.2.1 原子間相互作用的基本形式 59
5.2.2 對(duì)單位的注釋 62
5.3 對(duì)勢(shì) 62
5.3.1 Lennard-Jones勢(shì) 62
5.3.2 Mie勢(shì) 67
5.3.3 其他對(duì)勢(shì) 68
5.3.4 中心力勢(shì)和固體的性質(zhì) 70
5.4 離子材料 71
5.5 金屬 72
5.5.1 金屬的對(duì)勢(shì) 72
5.5.2 依賴于體積的勢(shì) 73
5.5.3 普適結(jié)合曲線 74
5.5.4 嵌入式原子模型勢(shì) 75
5.6 共價(jià)固體 78
5.6.1 依賴于角度的勢(shì) 79
5.6.2 鍵級(jí)勢(shì) 80
5.7 混合成鍵系統(tǒng) 82
5.7.1 反應(yīng)力勢(shì) 82
5.7.2 緊束縛方法 83
5.8 作用勢(shì)能夠模擬的量 83
5.9 勢(shì)參數(shù)的確定 85
5.10 本章小結(jié) 86
5.11 附加內(nèi)容 86
第6章 分子動(dòng)力學(xué) 90
6.1 原子系統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)基本知識(shí) 90
6.1.1 牛頓方程的數(shù)值積分 91
6.1.2 守恒定律 95
6.1.3 模擬可靠性的檢查 95
6.1.4 與熱力學(xué)的關(guān)聯(lián) 97
6.1.5 初始條件 98
6.1.6 分子動(dòng)力學(xué)模擬的步驟 100
6.2 計(jì)算例子 100
6.2.1 作用勢(shì)的截止 101
6.2.2 分子動(dòng)力學(xué)模擬的分析 102
6.3 速度重標(biāo)度 109
6.4 其他系綜分子動(dòng)力學(xué) 110
6.4.1 正則系綜分子動(dòng)力學(xué) 111
6.4.2 等壓系綜分子動(dòng)力學(xué) 112
6.5 加速動(dòng)力學(xué) 113
6.6 分子動(dòng)力學(xué)的局限 115
6.7 分子動(dòng)力學(xué)在材料研究中的應(yīng)用 116
6.8 本章小結(jié) 118
6.9 附加內(nèi)容 118
6.9.1 選擇初始位置 119
6.9.2 選擇初始速度 120
6.9.3 計(jì)算對(duì)分布函數(shù) 121
6.9.4 計(jì)算時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù) 122
第7章 蒙特卡羅方法 124
7.1 引言 124
7.2 系綜平均值 125
7.3 Metropolis算法 127
7.3.1 Metropolis算法的采樣 129
7.3.2 Metropolis算法中能量的更新 131
7.4 伊辛模型 132
7.4.1 伊辛模型的Metropolis蒙特卡羅模擬 133
7.4.2 伊辛模型模擬的例子 135
7.4.3 伊辛模型的其他采樣方法 138
7.5 原子系統(tǒng)蒙特卡羅方法 138
7.5.1 正則系綜的原子模擬 139
7.5.2 原子坐標(biāo)的采樣 139
7.5.3 計(jì)算能量的變化 140
7.6 其他系綜 142
7.6.1 等壓等溫系綜 142
7.6.2 巨正則系綜 145
7.7 蒙特卡羅模擬中的時(shí)間 146
7.8 蒙特卡羅方法的評(píng)價(jià) 147
7.9 蒙特卡羅方法在材料研究中的應(yīng)用 147
7.10 本章小結(jié) 148
7.11 附加內(nèi)容 149
第8章 分子和大分子系統(tǒng) 151
8.1 引言 151
8.2 聚合物的無(wú)規(guī)行走模型 154
8.3 大分子的原子模擬 156
8.3.1 分子之間的相互作用 156
8.3.2 分子內(nèi)能量項(xiàng) 159
8.3.3 探索能量面 161
8.3.4 分子動(dòng)力學(xué) 162
8.3.5 蒙特卡羅方法 165
8.4 粗粒方法 166
8.5 聚合物和生物分子格點(diǎn)模型 168
8.6 分子和大分子材料的模擬 169
8.7 本章小結(jié) 170
8.8 附加內(nèi)容 171
第三部分 介觀方法
第9章 動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法 174
9.1 動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法計(jì)算步驟 174
9.2 動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法中的時(shí)間 177
9.3 動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法計(jì)算 180
9.3.1 案例一：表面上的擴(kuò)散 180
9.3.2 案例二：化學(xué)氣相沉積 182
9.4 應(yīng)用 185
9.5 本章小結(jié) 186
第10章 介觀尺度蒙特卡羅方法 187
10.1 晶粒生長(zhǎng)模擬 187
10.2 蒙特卡羅-波茨模型 189
10.3 N-fold方法 193
10.4 波茨模型應(yīng)用案例 196
10.4.1 Zener釘扎 196
10.4.2 再結(jié)晶 197
10.4.3 晶界移動(dòng)的各向異性對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響 199
10.5 波茨模型在材料科學(xué)和工程中的應(yīng)用 201
10.6 本章小結(jié) 201
第11章 元胞自動(dòng)機(jī) 202
11.1 元胞自動(dòng)機(jī)基本知識(shí) 202
11.2 二維元胞自動(dòng)機(jī)的案例 206
11.2.1 生命游戲 207
11.2.2 凝固 208
11.3 格子氣方法 209
11.4 元胞自動(dòng)機(jī)在材料研究中的案例 211
11.4.1 再結(jié)晶的簡(jiǎn)單模型 211
11.4.2 失穩(wěn)分解的元胞自動(dòng)機(jī)模型 213
11.4.3 元胞自動(dòng)機(jī)的其他應(yīng)用 217
11.5 元胞自動(dòng)機(jī)與蒙特卡羅方法的關(guān)系 218
11.6 本章小結(jié) 218
第12章 相場(chǎng)方法 220
12.1 守恒和非守恒的序參數(shù) 220
12.2 控制方程 221
12.2.1 非守恒序參數(shù)的Allen-Cahn方程 221
12.2.2 守恒序參數(shù)的Cahn-Hilliard方程 223
12.2.3 守恒與非守恒序參數(shù)共存的系統(tǒng) 223
12.3 一維相場(chǎng)計(jì)算 224
12.4 界面的自由能 228
12.5 局部自由能函數(shù) 229
12.5.1 一個(gè)序參數(shù)的系統(tǒng) 229
12.5.2 多個(gè)序參數(shù)的系統(tǒng) 230
12.6 兩個(gè)案例 232
12.6.1 晶粒生長(zhǎng)的二維模型 232
12.6.2 凝固 233
12.7 相場(chǎng)方法在材料研究中的其他應(yīng)用 234
12.8 本章小結(jié) 235
12.9 附加內(nèi)容 235
12.9.1 Allen-Cahn方程的推導(dǎo) 235
12.9.2 Cahn-Hilliard方程的推導(dǎo) 238
第13章 介觀尺度動(dòng)力學(xué) 240
13.1 阻尼動(dòng)力學(xué) 240
13.2 朗之萬(wàn)動(dòng)力學(xué) 242
13.3 介觀尺度下的模擬“實(shí)體” 243
13.4 晶粒生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)模型 244
13.4.1 晶粒生長(zhǎng)的晶界模型 244
13.4.2 晶粒生長(zhǎng)的頂點(diǎn)模型 245
13.5 離散位錯(cuò)的動(dòng)力學(xué)模擬 247
13.5.1 二維模擬 247
13.5.2 三維模擬 251
13.5.3 局限和評(píng)估 254
13.5.4 應(yīng)用 255
13.6 本章小結(jié) 256
第四部分 結(jié)束語(yǔ)
第14章 材料選擇和設(shè)計(jì) 258
14.1 集成計(jì)算材料工程 258
14.2 并發(fā)材料設(shè)計(jì) 260
14.3 方法 262
14.4 材料信息學(xué) 264
14.4.1 數(shù)據(jù)挖掘 264
14.4.2 應(yīng)用 265
14.5 本章小結(jié) 266
第五部分 附錄
附錄A 能量單位、基本常量和換算關(guān)系 267
A.1 基本常量 267
A.2 單位和能量換算 267
附錄B 材料學(xué)入門 269
B.1 簡(jiǎn)介 269
B.2 結(jié)晶學(xué) 269
B.2.1 基本晶體結(jié)構(gòu) 270
B.2.2 直接點(diǎn)陣 274
B.2.3 倒易點(diǎn)陣 275
B.2.4 非立方點(diǎn)陣的一般描述 276
B.3 缺陷 277
B.4 點(diǎn)缺陷 277
B.5 位錯(cuò) 278
B.5.1 塑性變形 278
B.5.2 位錯(cuò)的結(jié)構(gòu) 279
B.5.3 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 280
B.5.4 刃型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)移出滑移面 281
B.5.5 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與塑性應(yīng)變的關(guān)系 282
B.5.6 應(yīng)力和力 283
B.5.7 自能和自力 285
B.5.8 非線性位錯(cuò)的相互作用和反應(yīng) 285
B.5.9 位錯(cuò)源 286
B.5.10 動(dòng)力學(xué) 287
B.5.11 位錯(cuò)晶體學(xué) 288
B.6 多晶材料 289
B.6.1 晶界 289
B.6.2 晶粒生長(zhǎng) 291
B.7 擴(kuò)散 293
B.7.1 擴(kuò)散的連續(xù)區(qū)描述 293
B.7.2 沿著缺陷的擴(kuò)散 295
附錄C 數(shù)學(xué)背景知識(shí) 296
C.1 矢量和張量 296
C.1.1 基本運(yùn)算 296
C.1.2 矢量微分算子 298
C.1.3 矩陣和張量 299
C.1.4 歐拉角 300
C.2 泰勒級(jí)數(shù) 300
C.3 復(fù)數(shù) 302
C.4 概率論 303
C.5 常見函數(shù) 305
C.6 泛函數(shù) 307
附錄D 經(jīng)典力學(xué)概述 310
D.1 牛頓方程 310
D.2 哈密頓函數(shù) 312
D.3 示例：諧振子 313
D.4 中心力勢(shì) 314
附錄E 靜電學(xué) 316
E.1 力 316
E.2 靜電勢(shì)和能量 316
E.3 電荷分布：多極展開式 317
附錄F 量子力學(xué)入門 320
F.1 歷史 320
F.2 波函數(shù) 321
F.3 薛定諤方程 321
F.4 可觀察量 322
F.5 一些已解決的問題 323
F.5.1 盒子中的粒子 323
F.5.2 諧振子 327
F.5.3 氫原子 327
F.6 具有一個(gè)以上電子的原子 328
F.6.1