關(guān)永軍，陳　柳，王金三

(北京航空材料研究院 材料基因組技術(shù)研究中心， 北京 100095)

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材料基因組技術(shù)內(nèi)涵與發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)永軍，陳柳，王金三

(北京航空材料研究院 材料基因組技術(shù)研究中心， 北京 100095)

材料基因組計(jì)劃旨在變革材料傳統(tǒng)研發(fā)模式，從而縮短材料研發(fā)周期并降低其研發(fā)成本。主要從航空材料領(lǐng)域?qū)Σ牧匣蚪M技術(shù)需求的角度，對(duì)材料基因組技術(shù)的具體內(nèi)涵進(jìn)行闡述與討論。提出發(fā)展材料基因組技術(shù)需要建設(shè)的主要內(nèi)容包括高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、以及材料信息學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。在發(fā)展方向上，提出發(fā)展材料信息學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)、集成計(jì)算材料設(shè)計(jì)、材料虛擬工藝、材料虛擬服役四方面技術(shù)與能力。

材料基因組計(jì)劃；高通量；計(jì)算材料；數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)挖掘

自美國(guó)在2011年宣布實(shí)施材料基因組計(jì)劃以來(lái)，迅速得到世界范圍內(nèi)不同研究方向的材料科學(xué)家的積極響應(yīng)。材料基因組技術(shù)旨在利用并發(fā)展材料科學(xué)研究中的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)計(jì)算材料科學(xué)方法與先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，縮短新材料的研發(fā)周期并降低其成本[1-4]。

材料科學(xué)中成分、工藝、微結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律一直是傳統(tǒng)材料研究領(lǐng)域的核心工作。在材料基因組技術(shù)的創(chuàng)新研究思路下，傳統(tǒng)材料科學(xué)研究預(yù)期具有以下新特點(diǎn)：(1)材料成分、工藝、微結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)聯(lián)規(guī)律不再獨(dú)立存在，而是合并為一個(gè)整體對(duì)象進(jìn)行研究與討論；(2)材料加工工藝與微結(jié)構(gòu)研究中將大量使用數(shù)字化與定量化的表達(dá)，取代傳統(tǒng)材料研究方法中的圖像定性或半定量描述；(3)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有望發(fā)現(xiàn)材料成分、工藝、微結(jié)構(gòu)與性能之間新的關(guān)聯(lián)規(guī)律；(4)材料成分、工藝、微結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)聯(lián)規(guī)律的建立將不再完全依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證中將發(fā)揮重大作用。

材料基因組技術(shù)融合了材料科學(xué)、固體力學(xué)、信息科學(xué)、軟件工程、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法等學(xué)科，采用數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)研究材料的工藝過(guò)程、微/細(xì)觀結(jié)構(gòu)、性能和服役行為等，闡明成分、微結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)性能的控制機(jī)制，引導(dǎo)并支撐實(shí)體材料的研發(fā)和應(yīng)用[1,5-8]。但是，不同領(lǐng)域、不同研究方向的材料科學(xué)家對(duì)材料基因組技術(shù)的解讀有不同的側(cè)重，本文從航空材料(如高溫合金、鈦合金等)領(lǐng)域?qū)Σ牧匣蚪M技術(shù)的需求與應(yīng)用，闡述材料基因組技術(shù)的基本內(nèi)涵、建設(shè)內(nèi)容與能力布局。

1　高通量集成計(jì)算

高通量材料集成計(jì)算思路在一定程度上受到了組合化學(xué)方法在新藥物研發(fā)過(guò)程中所取得巨大成就的啟發(fā)。通過(guò)并行開展不同基本單元的系統(tǒng)性組合，得到大量具有不同結(jié)構(gòu)與組分的化合物，并快速篩選以獲得具有目標(biāo)性能的單元組合模式，從而加速新藥物的研發(fā)進(jìn)程[9-14]。高通量材料集成計(jì)算技術(shù)利用第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)與位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)、合金相圖計(jì)算、相場(chǎng)計(jì)算等方法，快速并行模擬實(shí)驗(yàn)室中成分與性能優(yōu)化的傳統(tǒng)試錯(cuò)式材料研發(fā)過(guò)程，并基于材料科學(xué)知識(shí)，迅速挑選有利于目標(biāo)性能的合金成分與微結(jié)構(gòu)特征，從而加速新材料的研發(fā)進(jìn)程，并顯著降低材料研發(fā)成本。

1.1基于CALPHAD的合金成分設(shè)計(jì)

相圖反映了材料在特定溫度、壓力和化學(xué)成分等條件下的相組成，是研究合金中成分、工藝與性能相互關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。在20世紀(jì)60年代以前，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法來(lái)繪制相圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)定合金相圖存在耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，且多局限于一些簡(jiǎn)單的二元或三元系，難以獲得復(fù)雜合金體系的相圖，從而制約了現(xiàn)代復(fù)雜多元合金的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

熱力學(xué)計(jì)算是另一種相圖繪制手段。Gibbs在1875年建立了現(xiàn)代熱力學(xué)的理論框架，Van Laar以及隨后的一些學(xué)者提出通過(guò)熱力學(xué)數(shù)據(jù)可獲得對(duì)應(yīng)的相圖，甚至可得到材料在部分條件下的微觀組織。在20世紀(jì)60年代初，物相計(jì)算技術(shù)(PHACOMP)開始在鎳基高溫合金設(shè)計(jì)工作中發(fā)揮作用[15-16]。PHACOMP在本質(zhì)上仍然依賴于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但它表明了多元合金體系的相圖數(shù)據(jù)對(duì)于合金的微觀組織控制是非常重要的。在70年代出現(xiàn)的相圖計(jì)算技術(shù)(CALPHAD)為合金設(shè)計(jì)提供了更強(qiáng)大的支撐[17-18]。CALPHAD技術(shù)利用熱力學(xué)原理計(jì)算多元系的物相平衡，可獲得具有熱力學(xué)自洽的平衡相圖。

利用CALPHAD計(jì)算可快速獲得復(fù)雜合金體系在不同壓力與溫度下的相組成，結(jié)合不同物相對(duì)材料力學(xué)、化學(xué)以及熱學(xué)等性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)合金成分調(diào)控進(jìn)而優(yōu)化合金性能的目的。例如，Cu元素可以有效提高鋼鐵材料的耐腐蝕性能，但是含Cu的鋼材在熱處理過(guò)程中，因表層氧化導(dǎo)致Fe元素流失，容易在晶界處形成低熔點(diǎn)的富Cu區(qū)，從而降低表層延展性并導(dǎo)致冷軋過(guò)程中發(fā)生表面開裂。利用CALPHAD計(jì)算可知Ni元素顯著影響Fe-Cu合金的物相組成，當(dāng)Ni%/Cu%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)比值大于1時(shí)，在熱處理溫度下低熔點(diǎn)富Cu相消失，從而推斷當(dāng)Ni%/Cu%大于1時(shí)，表面開裂將被抑制，這一結(jié)論在實(shí)際工藝過(guò)程中得到了驗(yàn)證[19]。

基于CALPHAD的合金成分調(diào)控與性能優(yōu)化需要對(duì)物相-性能相互關(guān)系具有充分的理解與認(rèn)識(shí)。因此，CALPHAD計(jì)算往往與材料的實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得不同物相影響材料力學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)等性能的基本規(guī)律，然后利用CALPHAD計(jì)算不同合金體系下的相圖，利用相圖揭示化學(xué)成分-物相之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，從而建立合金成分-物相-性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合金的成分優(yōu)化并獲得優(yōu)異的使用性能。

1.2多尺度計(jì)算模擬應(yīng)用于新材料研發(fā)

多尺度計(jì)算模擬是第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、有限元等計(jì)算方法的集成應(yīng)用。第一性原理是基于原子核與電子相互作用的量子力學(xué)規(guī)律，不需要通過(guò)大量經(jīng)驗(yàn)或者數(shù)據(jù)擬合得到可調(diào)參數(shù)，而是通過(guò)求解量子力學(xué)方程來(lái)計(jì)算微觀體系的總能量、電子結(jié)構(gòu)等，進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)能、生成熱、相變熱和熱力學(xué)函數(shù)等[20]。第一性原理計(jì)算可以使被模擬體系的行為與特征更加接近真實(shí)情況，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的重要補(bǔ)充。圖1為利用第一性原理計(jì)算方法，篩選稀土元素在NbSi金屬間化合物中可能存在的化合物結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算化合物形成焓，發(fā)現(xiàn)NbII結(jié)構(gòu)是可能穩(wěn)定存在的。

第一性原理的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)力學(xué)相結(jié)合可以獲得合金的熱力學(xué)函數(shù)隨成分、溫度和壓力的變化，從而獲得材料的熱力學(xué)參數(shù)并存入CALPHAD熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而得到合金體系的二元或多元相圖。通過(guò)第一性原理計(jì)算與集團(tuán)變分法或蒙特卡羅方法相結(jié)合，可以直接計(jì)算一些簡(jiǎn)單體系二元相圖。此外，CALPHAD與熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)材料在非平衡狀態(tài)下物相組成與微結(jié)構(gòu)演化的計(jì)算[4]。瑞典皇家工學(xué)院和馬普研究所合作研究并開發(fā)出一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序——DICTRA[21-22]，它是一個(gè)模擬擴(kuò)散性相變的軟件包，已集成為Thermo-Calc程序的一個(gè)子軟件。許多不同的模型已經(jīng)被合并到DICTRA軟件里，DICTRA可同時(shí)求解液態(tài)和固態(tài)下控制相變相關(guān)擴(kuò)散的熱力學(xué)問(wèn)題[21]。運(yùn)用DICTRA中不同的模型，可以模擬多種具有實(shí)際意義的工業(yè)過(guò)程，例如，多組分合金中的均質(zhì)化、滲碳、微偏析和粗化，以及硬質(zhì)合金的梯度燒結(jié)、合金的瞬時(shí)液相焊接、電子材料焊接等。

多尺度集成計(jì)算的另一個(gè)重要發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)件服役行為的計(jì)算機(jī)模擬，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件(如渦輪盤與渦輪葉片)等工作于極端條件下的關(guān)鍵零部件的服役行為模擬。從宏觀上講，通過(guò)有限元方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的關(guān)于構(gòu)件服役溫度與壓強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)，可建立熱端部件在不同服役環(huán)境下整體的應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端零部件在服役過(guò)程中存在疲勞、蠕變、以及裂紋萌生與擴(kuò)展等影響發(fā)動(dòng)機(jī)完整性與服役壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。從微觀層面上講，位錯(cuò)在滑移面上的往復(fù)滑移、位錯(cuò)攀移、相界面滑動(dòng)、駐留滑移帶以及微裂紋萌生與擴(kuò)展等微觀過(guò)程，是導(dǎo)致熱端部件性能蛻化并失效的關(guān)鍵因素。利用分子動(dòng)力學(xué)與位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)等原子尺度的模擬技術(shù)[23-24]，以及描述多晶協(xié)調(diào)變形的晶體塑性有限元方法和微觀組織演化的相場(chǎng)模擬[25-26]，結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可模擬位錯(cuò)滑移與駐留滑移帶的形成與演化過(guò)程，揭示熱端部件在不同服役環(huán)境下的疲勞與蠕變失效機(jī)制，建立疲勞與蠕變機(jī)制與服役環(huán)境(動(dòng)態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng))、以及合金成分之間的關(guān)聯(lián)，為加速新一代國(guó)防裝備的建設(shè)、推動(dòng)關(guān)鍵裝備中重點(diǎn)技術(shù)突破提供新的視野與有力支撐。

2　高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)

新時(shí)期國(guó)防工業(yè)在發(fā)展中出現(xiàn)裝備更新速度快、服役環(huán)境苛刻、新材料研發(fā)周期長(zhǎng)、所需材料無(wú)法滿足裝備性能設(shè)計(jì)需求等特點(diǎn)。因此，急需對(duì)傳統(tǒng)材料研發(fā)模式進(jìn)行根本性的革新，以滿足國(guó)防工業(yè)日益發(fā)展對(duì)航空新材料的需求。傳統(tǒng)材料研發(fā)模式依賴于成分與工藝的不斷“試錯(cuò)”實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，結(jié)合對(duì)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的不斷理解，以獲得滿足性能指標(biāo)的材料。但是，新型關(guān)鍵材料具有成分多元化、復(fù)雜化、微結(jié)構(gòu)多級(jí)化等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的“試錯(cuò)”模式在實(shí)際材料開發(fā)中不僅耗費(fèi)巨大，而且?guī)缀蹼y以取得成功。

高通量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是發(fā)展材料基因組技術(shù)必須具備的條件之一。材料基因組技術(shù)強(qiáng)調(diào)計(jì)算材料科學(xué)在變革材料研發(fā)模式中的重要地位，但并不意味著這種創(chuàng)新的材料研發(fā)模式可以脫離實(shí)驗(yàn)技術(shù)支撐，或者僅僅需要一些已經(jīng)具有的、通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段就可以簡(jiǎn)單獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，對(duì)高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)認(rèn)識(shí)的另一個(gè)常見誤區(qū)是強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的“驗(yàn)證”角色，認(rèn)為如果不需要驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)是可有可無(wú)的。實(shí)際上，高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)貫穿材料基因組技術(shù)的整個(gè)范疇：材料數(shù)據(jù)庫(kù)、高通量集成計(jì)算、材料制備工藝仿真、材料服役狀態(tài)下力學(xué)行為的計(jì)算機(jī)模擬。

就數(shù)據(jù)庫(kù)而言，高通量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以為數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支撐。如材料的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)、不同合金成分對(duì)應(yīng)的彈性模量、硬度、擴(kuò)散系數(shù)、熱導(dǎo)率等力學(xué)與物理性能數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)如果通過(guò)傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不僅耗費(fèi)巨大，而且周期過(guò)長(zhǎng)，從而使材料研發(fā)速度嚴(yán)重滯后于工業(yè)零部件的實(shí)際需求，使關(guān)鍵裝備的發(fā)展受困于關(guān)鍵材料瓶頸。就高通量集成計(jì)算而言，高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)為各種計(jì)算模擬工作提供計(jì)算目標(biāo)，比如：通過(guò)高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)現(xiàn)高溫相對(duì)合金力學(xué)性能起到關(guān)鍵作用，在計(jì)算模擬時(shí)只需要尋找擴(kuò)大并穩(wěn)定對(duì)應(yīng)高溫相的合金元素類別與含量即可。就材料制備工藝仿真與服役行為模擬而言，需要大量的材料本構(gòu)關(guān)系與熱物性參數(shù)。如果是傳統(tǒng)金屬材料，這些數(shù)據(jù)可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)。但對(duì)于不斷涌現(xiàn)的新合金和新工藝，需要及時(shí)提供大量的熱物性參數(shù)與本構(gòu)模型用于材料和工藝的計(jì)算機(jī)模擬。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法很難滿足這些需求，而高通量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則很好地解決了這些問(wèn)題。

材料基因組概念中的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有快速制備快速表征各類金屬與非金屬樣品的能力，典型的高通量實(shí)驗(yàn)方法有擴(kuò)散多元結(jié)[27]與材料基因芯片[28-29]等技術(shù)。制備擴(kuò)散多元結(jié)的基本原理可以通過(guò)擴(kuò)散偶來(lái)理解[30-31]：當(dāng)兩種異質(zhì)金屬緊密接觸并在高溫下發(fā)生相互擴(kuò)散，將形成一個(gè)元素成分呈梯度變化的擴(kuò)散區(qū)，通過(guò)對(duì)擴(kuò)散區(qū)元素的測(cè)定與物相分析，很容易得到這兩種異質(zhì)金屬的二元相圖。同理，如果三種元素緊密接觸并在高溫下完成擴(kuò)散，通過(guò)對(duì)擴(kuò)散區(qū)元素成分的測(cè)定與物相檢測(cè)，將獲得材料對(duì)應(yīng)的三元相圖。此外，結(jié)合微區(qū)物理與力學(xué)性能測(cè)試分析技術(shù)，如納米壓痕、微/納小柱壓縮、飛秒激光時(shí)域熱反射等實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，可獲得擴(kuò)散多元結(jié)中不同成分對(duì)應(yīng)的硬度、彈性模量、熱導(dǎo)率等重要參數(shù)，從而指導(dǎo)新材料研發(fā)過(guò)程中的成分優(yōu)化與微觀組織控制。

組合材料芯片技術(shù)是重要的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制下的離子束濺射與磁控濺射，結(jié)合靶材自動(dòng)切換與物理掩模技術(shù)，可在較小的基材上制備出成分、工藝、微結(jié)構(gòu)連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化的材料芯片[26-28,32-34]，比如，在10 mm×10 mm范圍可獲得成百上千個(gè)具有不同成分與工藝參數(shù)的樣品。此外，利用同步輻射與納米壓痕等技術(shù)，可對(duì)材料芯片中不同樣品的微結(jié)構(gòu)、力學(xué)、物理等性能進(jìn)行測(cè)試與表征，如材料的硬度、彈性模量、熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)等[35-38]。基于材料芯片的成分、微結(jié)構(gòu)、以及性能測(cè)試與表征數(shù)據(jù)，可快速獲得并建立目標(biāo)材料的成分-微結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能關(guān)系，從而為材料基因工程數(shù)據(jù)庫(kù)的大數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)支撐，并為全面認(rèn)識(shí)目標(biāo)材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系提供證據(jù)。利用基于組合材料芯片技術(shù)的快速制備快速表征技術(shù)，可對(duì)多種金屬材料(如高溫合金、Ti合金、Al合金等)的相圖進(jìn)行繪制，并對(duì)其微結(jié)構(gòu)及演化進(jìn)行表征，從而獲得相互關(guān)聯(lián)的成分、微結(jié)構(gòu)、性能等信息。

此外，高通量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅包含制備材料芯片或者擴(kuò)散多元結(jié)的樣品制備設(shè)備，以及微區(qū)力學(xué)性能、物理性能等快速檢測(cè)快速表征設(shè)備，如納米壓痕、微區(qū)3D數(shù)字成像、時(shí)域熱反射裝備等，也包括必備的傳統(tǒng)力學(xué)性能測(cè)試與微結(jié)構(gòu)表征裝備，如萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、X射線斷層掃描與重構(gòu)等。這些裝備是小樣品制備、微區(qū)結(jié)構(gòu)分析與性能檢測(cè)裝備的重要補(bǔ)充。

3　材料信息學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)這一概念在科學(xué)與工程領(lǐng)域興起并快速擴(kuò)展，引起大量不同領(lǐng)域研究者的廣泛興趣?，F(xiàn)代科學(xué)與工程的各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)涉及大數(shù)據(jù)的概念，例如：Navier-Stokes湍流模擬過(guò)程中追蹤流場(chǎng)演變所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、分子動(dòng)力學(xué)模擬金屬塑性變形過(guò)程中存儲(chǔ)原子空間位置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、Hubble望遠(yuǎn)鏡資料庫(kù)中記錄星體光譜信息的數(shù)據(jù)等[39-40]。

數(shù)據(jù)可以看作是感興趣參量的具體數(shù)值，這些參量在空間與時(shí)間上的一系列數(shù)值就構(gòu)成數(shù)據(jù)集，不同的數(shù)據(jù)集結(jié)合到一起并按照一定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用，體量巨大的、結(jié)構(gòu)性的數(shù)據(jù)集就構(gòu)成大數(shù)據(jù)。利用物理層面的分布式服務(wù)器對(duì)隨時(shí)間不斷膨脹的數(shù)據(jù)集進(jìn)行存放，利用通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)器中數(shù)據(jù)集的遠(yuǎn)程調(diào)用與管理，利用專門的算法對(duì)不同數(shù)據(jù)集自身和數(shù)據(jù)集之間進(jìn)行分析并提取有價(jià)值的信息，并用專門的軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的可視化，就構(gòu)成了基于大數(shù)據(jù)方法的材料數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。

大數(shù)據(jù)在應(yīng)用于材料科學(xué)與工程領(lǐng)域之前，在其他領(lǐng)域已有多年發(fā)展與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用具有重要的借鑒意義。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)，典型的大數(shù)據(jù)應(yīng)用包含數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、以及數(shù)據(jù)協(xié)作三個(gè)環(huán)節(jié)。例如，美國(guó)海洋與大氣管理局擁有若干數(shù)據(jù)中心，分別采集關(guān)于海洋環(huán)境、氣候、地球物理等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、歸檔，并利用解釋性語(yǔ)言和可視化軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時(shí)，分析人員可以通過(guò)數(shù)據(jù)文檔系統(tǒng)查閱所感興趣參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)中心或者遠(yuǎn)程分析人員可以通過(guò)OPeNDAP系統(tǒng)訪問(wèn)專用的數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)不同終端的數(shù)據(jù)協(xié)作。

基于材料基因組技術(shù)的材料發(fā)展計(jì)劃將大數(shù)據(jù)概念與傳統(tǒng)的材料發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。從材料、工藝，直到最終的結(jié)構(gòu)件，需要涉及大量的、不同類型的數(shù)據(jù)。圖2為不同階段、不同尺度范疇結(jié)構(gòu)材料涉及的圖像以及背后存在的潛在海量數(shù)據(jù)[40]。大數(shù)據(jù)概念已經(jīng)深入到材料科學(xué)與工程的各個(gè)方面，如材料成分篩選、工藝優(yōu)化、微結(jié)構(gòu)機(jī)理分析、以及物理與力學(xué)性能評(píng)估等。就一種特定的材料而言，完整的數(shù)據(jù)信息由結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)包括化學(xué)成分、加工與熱處理工藝、微觀組織特征、物理性能、以及力學(xué)性能(如強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、疲勞壽命、裂紋擴(kuò)展速率、蠕變速率、溫度與應(yīng)變率敏感性等)；非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)包括測(cè)試所用的儀器設(shè)備、測(cè)試與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試環(huán)境溫度與氣氛條件等影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適用范圍、可靠性與置信度等限制性條件，以及為便于數(shù)據(jù)傳播與理解的解釋性信息。

材料信息學(xué)通過(guò)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)從已有數(shù)據(jù)中提取高價(jià)值信息與知識(shí)的目的。所謂的高價(jià)值信息與知識(shí)，可以概括為工藝-微結(jié)構(gòu)-性能相互關(guān)系。這一關(guān)系不僅僅是工藝-微結(jié)構(gòu)-性能數(shù)據(jù)集，更重要的是根據(jù)數(shù)據(jù)集和特殊算法得出的相互之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

Kalidindi提出材料信息學(xué)具有分層次多級(jí)目標(biāo)[40]，圖3是多層次目標(biāo)的示意圖。第一層次的目標(biāo)是通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出微觀組織在工藝過(guò)程中的演化規(guī)律，并歸納不同微結(jié)構(gòu)特征對(duì)性能的影響趨勢(shì)。數(shù)據(jù)分析主要是針對(duì)感興趣的數(shù)據(jù)集，通過(guò)一定的規(guī)則剔除異常數(shù)據(jù)，過(guò)濾數(shù)據(jù)正常波動(dòng)所產(chǎn)生的噪音并扣除測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)差異所產(chǎn)生的背底，從而發(fā)現(xiàn)并提取出高價(jià)值的參量關(guān)聯(lián)規(guī)律。例如，金屬熱處理過(guò)程中存在大量關(guān)于晶粒尺寸、熱處理溫度、保溫時(shí)間的數(shù)據(jù)，如果利用已有數(shù)據(jù)分析熱處理溫度與保溫時(shí)間對(duì)晶粒尺寸的影響規(guī)律，容易得到晶粒尺寸與熱處理溫度成指數(shù)關(guān)系、而與保溫時(shí)間成正比例關(guān)系的結(jié)論；另一個(gè)例子是金屬屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以得到屈服強(qiáng)度與晶粒平均尺寸成反比的結(jié)論。

圖3　材料信息學(xué)從數(shù)據(jù)到知識(shí)的多層次目標(biāo)示意圖Fig.3　Hierarchical scheme for the main objectives of material information science

第二層次的目標(biāo)是在第一層次的規(guī)律上建立嚴(yán)格的、基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的工藝-微結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。例如，金屬物理學(xué)中的Johnson-Mehr方程就是定量描述晶粒生長(zhǎng)與溫度和保溫時(shí)間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式；Hall-Petch關(guān)系就是定量描述金屬材料屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。

第三層次目標(biāo)是在第一、二層次工作基礎(chǔ)上，根據(jù)海量的工藝-微結(jié)構(gòu)-性能相互關(guān)系，針對(duì)材料在具體環(huán)境中的應(yīng)用問(wèn)題，直接逆向給出材料設(shè)計(jì)方案。比如，針對(duì)材料在某一溫度下的強(qiáng)度不得低于某一臨界值這類問(wèn)題，根據(jù)該材料的工藝-微結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，逆向判斷該材料應(yīng)該具備的微結(jié)構(gòu)形態(tài)與參數(shù)，以及要獲得這種微結(jié)構(gòu)應(yīng)該采取的熱處理與加工工藝方案。

4　材料基因組技術(shù)關(guān)鍵能力建設(shè)

傳統(tǒng)材料科學(xué)與工程的研究思路是通過(guò)成分(C)、工藝(P)的調(diào)整，獲得具有理想微結(jié)構(gòu)(S)與性能(P)匹配的目標(biāo)材料。傳統(tǒng)材料研究思路更多依賴于經(jīng)驗(yàn)累積與不斷試錯(cuò)，而材料基因組技術(shù)體系下的材料研發(fā)思路，是集成實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立成分、工藝、微結(jié)構(gòu)、性能之間的內(nèi)在定量關(guān)聯(lián)，即定量化的CPSP關(guān)系，然后根據(jù)材料在性能(如強(qiáng)度、塑性、疲勞壽命、蠕變率等)方面的實(shí)際需求，逆向設(shè)計(jì)符合性能要求的微結(jié)構(gòu)；根據(jù)成分、工藝與微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)并優(yōu)化具體的材料成分與制備工藝，即PSPC逆向解決成分設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)材料研發(fā)的CPSP試錯(cuò)模式到材料基因組的PSPC按需設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變，需要布局四方面能力：(1)材料信息學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)；(2)集成計(jì)算材料設(shè)計(jì)能力；(3)材料虛擬工藝技術(shù)；(4)材料虛擬服役技術(shù)。

(1)材料信息學(xué)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)：材料信息學(xué)是現(xiàn)代先進(jìn)材料研發(fā)的重要技術(shù)手段與發(fā)展趨勢(shì)，以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為基礎(chǔ)，面向材料設(shè)計(jì)、材料研制、性能查詢與分析、設(shè)計(jì)選材應(yīng)用等不同層次的需求，對(duì)材料數(shù)據(jù)的定義、結(jié)構(gòu)表達(dá)及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行深入研究，建設(shè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)；探索和提出行業(yè)的材料數(shù)據(jù)管理流程和數(shù)據(jù)共享方案，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)材料數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用平臺(tái)；為材料的研制和選材應(yīng)用提供專業(yè)化的材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)解決方案。

(2)集成計(jì)算材料設(shè)計(jì)：集成計(jì)算材料設(shè)計(jì)是利用集成計(jì)算手段，通過(guò)對(duì)材料的成分組成、微觀組織、性能等進(jìn)行多尺度建模計(jì)算，實(shí)現(xiàn)材料研發(fā)模式轉(zhuǎn)變的一種新方式。相比傳統(tǒng)的“試錯(cuò)”模式，具有大幅壓縮研發(fā)周期、大幅降低研發(fā)成本的顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)于將來(lái)材料研究與實(shí)現(xiàn)材料自主創(chuàng)新具有不可估量的重要作用。材料虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括材料原子尺度高通量計(jì)算技術(shù)、材料計(jì)算相圖與成分設(shè)計(jì)技術(shù)、材料微觀組織與性能預(yù)測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)元素，從時(shí)間與空間上涵蓋了原子尺度第一性原理方法、計(jì)算熱力學(xué)方法、介觀尺度相場(chǎng)方法、材料性能計(jì)算基礎(chǔ)物理模型等計(jì)算方法以及高通量快速制備與表征實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使新材料設(shè)計(jì)打通了材料成分-工藝-組織-性能的四面體關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)材料高效率精準(zhǔn)研發(fā)的一種創(chuàng)新模式。

(3)材料虛擬工藝技術(shù)：采用多尺度數(shù)值模擬的方法對(duì)鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、復(fù)合材料成型等各類材料加工工藝進(jìn)行虛擬仿真，通過(guò)多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料制備過(guò)程中的各種場(chǎng)變量、組織性能、殘余應(yīng)力與變形控制、缺陷信息以及設(shè)備載荷等，進(jìn)而指導(dǎo)材料制備工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)材料的高效、低成本制備。材料虛擬制備技術(shù)專業(yè)的特點(diǎn)是：1)多尺度，材料加工工藝模擬不僅關(guān)注材料在制備過(guò)程中的宏觀行為，而且關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)的控制及其對(duì)性能的影響，涵蓋微觀、介觀、宏觀三個(gè)尺度；2)需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持與驗(yàn)證，材料加工工藝仿真的準(zhǔn)確性直接依賴于用于建模的材料參數(shù)及邊界條件參數(shù)的準(zhǔn)確性，因此，材料虛擬制備技術(shù)需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持和驗(yàn)證。材料數(shù)字建模與仿真專業(yè)涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括元胞自動(dòng)機(jī)法、相場(chǎng)法、有限元法等微觀、細(xì)觀、宏觀等不同尺度上模擬計(jì)算方法，以及材料成形理論、材料加工工藝、材料微結(jié)構(gòu)力學(xué)等材料學(xué)理論。

(4)材料虛擬服役技術(shù)：以損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等相關(guān)理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)如有限元分析、多物理場(chǎng)模擬、晶體塑性有限元、分子動(dòng)力學(xué)、位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等為手段，針對(duì)材料及裝備在復(fù)雜的高溫、高應(yīng)變、多軸載荷等實(shí)際工作環(huán)境，從宏觀、介觀、微觀、納觀等尺度綜合分析模擬材料微觀結(jié)構(gòu)演化與疲勞、蠕變、斷裂、損傷容限等服役性能的過(guò)程與機(jī)理，預(yù)測(cè)服役壽命，從而為新材料的研發(fā)、新裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供集成計(jì)算的技術(shù)支撐。

5　總　結(jié)

材料基因組技術(shù)基于計(jì)算材料科學(xué)、高通量實(shí)驗(yàn)表征與測(cè)試、數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等，是對(duì)傳統(tǒng)新材料研發(fā)模式提出的全新的變革，是材料科學(xué)研究與新材料研發(fā)在新時(shí)期的重要突破與創(chuàng)新，是解決國(guó)計(jì)民生與國(guó)防工業(yè)中關(guān)鍵技術(shù)材料瓶頸的重要途徑。自材料基因組計(jì)劃提出以來(lái)，得到材料科學(xué)家的積極響應(yīng)并取得一系列重要進(jìn)展。但是，在當(dāng)前條件下完全建成材料基因組技術(shù)所需要的軟件與硬件基礎(chǔ)，完全拋棄實(shí)驗(yàn)支撐而直接計(jì)算出新材料的成分與工藝，實(shí)現(xiàn)新材料的完全按需設(shè)計(jì)，仍然是不現(xiàn)實(shí)的。

通過(guò)建設(shè)與發(fā)展高通量計(jì)算模擬、高通量實(shí)驗(yàn)樣品制備與表征、服役環(huán)境下材料力學(xué)行為的計(jì)算模擬、以及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，并基于已有的海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，充分利用傳統(tǒng)材料科學(xué)領(lǐng)域中對(duì)材料成分、工藝、微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能相互關(guān)聯(lián)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，積極發(fā)揮材料基因組技術(shù)在新材料研發(fā)過(guò)程中的作用、切實(shí)推進(jìn)材料基因組技術(shù)發(fā)建設(shè)與發(fā)展，對(duì)充分認(rèn)識(shí)并全面推進(jìn)材料基因組技術(shù)在新材料研發(fā)中的變革與突破，具有極其重要的意義與價(jià)值。

[1] CHRISTODOULOU J A. Integrated computational materials engineering and materials genome initiative: accelerating materials innovation [J]. Advanced Materials & Processes, 2013, 171(3): 28-31.

[2] De PABLO J J, JONES B, KOVACS C L,etal. The materials genome initiative, the interplay of experiment, theory and computation [J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2014, 18(2): 99-117.

[3] OLSON G. Genomic materials design: the ferrous frontier [J]. Acta Materialia, 2013, 61(3): 771-781.

[4] OLSON G, KUEHMANN C. Materials genomics: from CALPHAD to flight [J]. Scripta Materialia, 2014, 70:25-30.

[5] BACKMAN D G, WEI D Y, WHITIS D D,etal. ICME at GE: accelerating the insertion of new materials and processes [J]. JOM, 2006, 58(11): 36-41.

[6] GüVEN? O, ROTERS F, HICKEL T,etal. ICME for crashworthiness of TWIP steels: from ab initio to the crash performance [J]. JOM, 2015, 67(1): 120-128.

[7] PANCHAL J H, KALIDINDI S R, McDOWELL D L. Key computational modeling issues in integrated computational materials engineering [J]. Computer-aided Design, 2013, 45(1): 4-25.

[8] 劉梓葵. 關(guān)于材料基因組的基本觀點(diǎn)及展望 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(35): 3618-3622.

(LIU Z K. On the basic principles and future outlook of materials genome initialative [J]. Chinese Science Bulletin, 2013, 58(35): 3618-3622.)

[9] CURTAROLO S, SETYAWAN W, WANG S,etal. AFLOWLIB.ORG: a distributed materials properties repository from high-throughput ab initio calculations [J]. Computational Materials Science, 2012, 58:227-235.

[10] 王曦, 汪小我, 王立坤, 等. 新一代高通量 RNA 測(cè)序數(shù)據(jù)的處理與分析 [J]. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展, 2010, 37(8): 834-846.

(WANG X, WANG X W, WANG L K,etal. Processing and analysis to new generation of high throughput RNA sequencing data [J]. Progress in Biochemistry and Biophysics, 2010, 37(8): 834-846.)

[11] 滕曉坤, 肖華勝. 基因芯片與高通量 DNA 測(cè)序技術(shù)前景分析 [J]. 中國(guó)科學(xué)C輯, 2008, 38(10): 891-899.

(TENG X K, XIAO H S. Analysis to gene chips and high throughput DNA sequencing technology [J]. Science in China Series C, 2008, 38(10): 891-899.)

[12] 杜冠華. 創(chuàng)新藥物研究與高通量篩選 [J]. 中國(guó)新藥雜志, 2001, 10(8): 561-565.

(DU G H. Innovative drug research and high throughput screening [J]. Chinese New Drugs Journal,2001, 10(8): 561-565.)

[13] 王卓, 楊小渝, 鄭宇飛, 等. 材料基因組框架下的材料集成設(shè)計(jì)及信息平臺(tái)初探 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(35): 3733-3742.

(WANG Z, YANG X Y, ZHENG Y F,etal. Integrated design of materials and the information platform under the framework of materials genome initiative [J]. Chinese Science Bulletin, 2013, 58(35): 3733-3742.)

[14] CURTAROLO S, HART G L, NARDELLI M B,etal. The high-throughput highway to computational materials design [J]. Nature Materials, 2013, 12(3): 191-201.

[15] MORINAGA M, YUKAWA N, ADACHI H,etal. New PHACOMP and its application to alloy design [C]∥ Proceedings of the Fifth International Symposium Superalloy. Warrendale, USA:TMS-AIME, 1984.

[16] CIESLAK M, KNOROVSKY G, HEADLEY T,etal. The use of new PHACOMP in understanding the solidification microstructure of nickel base alloy weld metal [J]. Metallurgical Transactions A, 1986, 17(12): 2107-2116.

[17] LUKAS H L, FRIES S G, SUNDMAN B. Computational thermodynamics: the Calphad method [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[18] SPENCER P. A brief history of CALPHAD [J]. Calphad, 2008, 32(1): 1-8.

[19] 蘇航, 柴峰, 王卓, 等. CALPHAD熱力學(xué)計(jì)算及其在鋼鐵新產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[C]∥ 2010中國(guó)材料研討會(huì). 長(zhǎng)沙：中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)，2010.

(SU H, CAI F, WAMG Z,etal. CALPHAD thermodynamic calculation and its application in the research and development of new products of iron and steel[C]∥ China Materials Conference 2010. Changsha:C-MRS, 2010.)

[20] 王紹青, 葉恒強(qiáng). 晶體材料基因組問(wèn)題第一原理計(jì)算研究 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(35): 3623-3632.

(WANG S Q, YE H Q. Study on the first principles calculation of the genome of crystal materials [J]. Chinese Science Bulletin, 2013, 58(35): 3623-3632.)

[21] ANDERSSON J O, HELANDER T, H?GLUND L,etal. Thermo-Calc & DICTRA, computational tools for materials science [J]. Calphad, 2002, 26(2): 273-312.

[22] BORGENSTAM A, H?GLUND L, ?GREN J,etal. DICTRA, a tool for simulation of diffusional transformations in alloys [J]. Journal of Phase Equilibria, 2000, 21(3): 269-280.

[23] HAILE J. Molecular dynamics simulation [M]. New York: Wiley, 1992.

[24] NADGORNYI E. Dislocation dynamics and mechanical properties of crystals [J]. Progress in Materials Science, 1988, 31:1-530.

[25] DUNNE F, KIWANUKA R, WILKINSON A. Crystal plasticity analysis of micro-deformation, lattice rotation and geometrically necessary dislocation density[C]∥ Proceedings of the Proc R Soc A, London:TRS, 2012.

[26] FURRER D U. Application of phase-field modeling to industrial materials and manufacturing processes [J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2011, 15(3): 134-140.

[27] 趙繼成. 材料基因組計(jì)劃中的高通量實(shí)驗(yàn)方法 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2013, 58(35): 3647-3655.

(ZHAO J C. High throughput experimental methods in materials genome project [J]. Chinese Science Bulletin, 2013, 58(35): 3647-3655.)

[28] XIANG X D. Combinatorial materials synthesis and screening: an integrated materials chip approach to discovery and optimization of functional materials [J]. Annual Review of Materials Science, 1999, 29(1): 149-171.

[29] XIANG X D, TAKEUCHI I. Combinatorial materials synthesis [M]. Bocal Raton: CRC Press, 2003.

[30] ZHAO J C. A combinatorial approach for structural materials [J]. Advanced Engineering Materials, 2001, 3(3):143-147.

[31] ZHAO J C. A combinatorial approach for efficient mapping of phase diagrams and properties [J]. Journal of Materials Research, 2001, 16(6): 1565-1578.

[32] RAJAN K. Combinatorial materials sciences: experimental strategies for accelerated knowledge discovery [J]. Annu Rev Mater Res, 2008, 38:299-322.

[33] LUDWIG A, CAO J, BRUGGER J,etal. MEMS tools for combinatorial materials processing and high-throughput characterization [J]. Measurement Science and Technology, 2004, 16(1):108-111.

[34] CAWSE J N. Experimental design for combinatorial and high throughput materials development[M]. New York: Wiley-Interscience, 2003.

[35] 高琛, 項(xiàng)曉東, 吳自勤. 發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化新材料的集成材料芯片方法 [J]. 物理, 1999, 28(11): 675-678.

(GAO C, XIANG X D, WU Z Q. Discovery and optimazation of novel materials by the integrated material chip approach [J]. Physics,1999, 28(11): 675-678.)

[36] 羅嵐, 徐政, 許業(yè)文, 等. 物理氣相法制備材料芯片的發(fā)展 [J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2004, 18(2): 69-71.

(LUO L, XU Z, XU Y W,etal. Development of the preparation of materials by physical vapor deposition method [J]. Materials Review,2004, 18(2): 69-71.)

[37] 劉茜, 陳偉, 劉慶峰, 等. 組合材料芯片技術(shù)應(yīng)用最新進(jìn)展—新型合金材料的快速發(fā)現(xiàn)和優(yōu)選 [J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2007, 25(23): 64-68.

(LIU Q, CHEN W, LIU Q F,etal. Current development of combinational materials approach for fast discovering and screening of new alloy materials [J]. Science & Technology Review,2007, 25(23): 64-68.)

[38] 朱麗慧, 朱碩金, 劉茜, 等. 組合材料芯片技術(shù)及其在金屬材料研究中的應(yīng)用 [J]. 機(jī)械工程材料, 2008,32(1):1-4.

(ZHU L H, ZHU S J, LIU Q,etal. Application of combinatorial material chip approach to research of metal materials[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2008, 32(1):1-4.)

[39] YU H, KANOV K, PERLMAN E,etal. Studying Lagrangian dynamics of turbulence using on-demand fluid particle tracking in a public turbulence database [J]. Journal of Turbulence, 2012, 13:1-12.

[40] KALIDINDI S R, De GRAEF M. Materials data science: current status and future outlook [J]. Annual Review of Materials Research, 2015, 45:171-193.

(責(zé)任編輯：王俊麗)

Materials Genome Technology and Its Development Trend

GUAN Yongjun,CHEN Liu,WANG Jinsan

(Materials Genome Center, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The materials genome initiative (MGI) was launched to reform the traditional modes to develop novel materials, which were expected to shorten the development cycle with simultaneous decreasing of costs. In this paper, the connotations of MGI was discussed in detail, especially from the viewpoint of requirements to aero materials. The development of MGI requires techniques aimed to high throughput computation and experiment, together with large-scale data mining based on material database. To the direction of MGI technique, we emphasize the following four aspects: material information science and database technique, integrated computation, processing simulation of materials and computational simulation of service.

materials genomic initiative; high throughput; computational materials; database; data mining

2016-03-31；

2016-04-15

關(guān)永軍(1977—)，男，博士，副研究員，主要從事航空材料科學(xué)與工程集成計(jì)算，(E-mail)guanbiam@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.008

TB30；V250

A

1005-5053(2016)03-0071-08