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

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，對材料基因組技術(shù)的具體內(nèi)涵進行闡述與討論。提出發(fā)展材料基因組技術(shù)需要建設的主要內(nèi)容包括高通量計算、高通量實驗、以及材料信息學與數(shù)據(jù)庫平臺。在發(fā)展方向上，提出發(fā)展材料信息學與數(shù)據(jù)庫、集成計算材料設計、材料虛擬工藝、材料虛擬服役四方面技術(shù)與能力。

材料基因組計劃；高通量；計算材料；數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)挖掘

自美國在2011年宣布實施材料基因組計劃以來，迅速得到世界范圍內(nèi)不同研究方向的材料科學家的積極響應。材料基因組技術(shù)旨在利用并發(fā)展材料科學研究中的相關(guān)知識，通過計算材料科學方法與先進的實驗技術(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)材料科學研究預期具有以下新特點：(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)律不再獨立存在，而是合并為一個整體對象進行研究與討論；(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，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驗數(shù)據(jù)，計算機模擬技術(shù)在新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與驗證中將發(fā)揮重大作用。

材料基因組技術(shù)融合了材料科學、固體力學、信息科學、軟件工程、先進實驗方法等學科，采用數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)研究材料的工藝過程、微/細觀結(jié)構(gòu)、性能和服役行為等，闡明成分、微結(jié)構(gòu)和工藝對性能的控制機制，引導并支撐實體材料的研發(fā)和應用[1,5-8]。但是，不同領(lǐng)域、不同研究方向的材料科學家對材料基因組技術(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)的需求與應用，闡述材料基因組技術(shù)的基本內(nèi)涵、建設內(nèi)容與能力布局。

1　高通量集成計算

高通量材料集成計算思路在一定程度上受到了組合化學方法在新藥物研發(fā)過程中所取得巨大成就的啟發(fā)。通過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性能的單元組合模式，從而加速新藥物的研發(fā)進程[9-14]。高通量材料集成計算技術(shù)利用第一性原理計算、分子動力學與位錯動力學、合金相圖計算、相場計算等方法，快速并行模擬實驗室中成分與性能優(yōu)化的傳統(tǒng)試錯式材料研發(fā)過程，并基于材料科學知識，迅速挑選有利于目標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)進程，并顯著降低材料研發(fā)成本。

1.1基于CALPHAD的合金成分設計

相圖反映了材料在特定溫度、壓力和化學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，并實現(xiàn)性能優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。在20世紀60年代以前，主要通過實驗測定的方法來繪制相圖。實驗測定合金相圖存在耗時長、成本高等缺點，且多局限于一些簡單的二元或三元系，難以獲得復雜合金體系的相圖，從而制約了現(xiàn)代復雜多元合金的設計與開發(fā)。

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

利用CALPHAD計算可快速獲得復雜合金體系在不同壓力與溫度下的相組成，結(jié)合不同物相對材料力學、化學以及熱學等性能的影響規(guī)律，實現(xiàn)合金成分調(diào)控進而優(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的鋼材在熱處理過程中，因表層氧化導致Fe元素流失，容易在晶界處形成低熔點的富Cu區(qū)，從而降低表層延展性并導致冷軋過程中發(fā)生表面開裂。利用CALPHAD計算可知Ni元素顯著影響Fe-Cu合金的物相組成，當Ni%/Cu%(質(zhì)量分數(shù)，下同)比值大于1時，在熱處理溫度下低熔點富Cu相消失，從而推斷當Ni%/Cu%大于1時，表面開裂將被抑制，這一結(jié)論在實際工藝過程中得到了驗證[19]。

基于CALPHAD的合金成分調(diào)控與性能優(yōu)化需要對物相-性能相互關(guān)系具有充分的理解與認識。因此，CALPHAD計算往往與材料的實驗研究相結(jié)合，通過實驗手段獲得不同物相影響材料力學、熱學、電化學等性能的基本規(guī)律，然后利用CALPHAD計算不同合金體系下的相圖，利用相圖揭示化學成分-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，進而實現(xiàn)合金的成分優(yōu)化并獲得優(yōu)異的使用性能。

1.2多尺度計算模擬應用于新材料研發(fā)

多尺度計算模擬是第一性原理計算、分子動力學、熱力學與動力學、有限元等計算方法的集成應用。第一性原理是基于原子核與電子相互作用的量子力學規(guī)律，不需要通過大量經(jīng)驗或者數(shù)據(jù)擬合得到可調(diào)參數(shù)，而是通過求解量子力學方程來計算微觀體系的總能量、電子結(jié)構(gòu)等，進而獲得結(jié)構(gòu)能、生成熱、相變熱和熱力學函數(shù)等[20]。第一性原理計算可以使被模擬體系的行為與特征更加接近真實情況，是傳統(tǒng)實驗手段的重要補充。圖1為利用第一性原理計算方法，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)。通過計算化合物形成焓，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)計算和統(tǒng)計力學相結(jié)合可以獲得合金的熱力學函數(shù)隨成分、溫度和壓力的變化，從而獲得材料的熱力學參數(shù)并存入CALPHAD熱力學數(shù)據(jù)庫，進而得到合金體系的二元或多元相圖。通過第一性原理計算與集團變分法或蒙特卡羅方法相結(jié)合，可以直接計算一些簡單體系二元相圖。此外，CALPHAD與熱力學和動力學計算的結(jié)合可實現(xiàn)材料在非平衡狀態(tài)下物相組成與微結(jié)構(gòu)演化的計算[4]。瑞典皇家工學院和馬普研究所合作研究并開發(fā)出一個重要的動力學計算程序——DICTRA[21-22]，它是一個模擬擴散性相變的軟件包，已集成為Thermo-Calc程序的一個子軟件。許多不同的模型已經(jīng)被合并到DICTRA軟件里，DICTRA可同時求解液態(tài)和固態(tài)下控制相變相關(guān)擴散的熱力學問題[21]。運用DICTRA中不同的模型，可以模擬多種具有實際意義的工業(yè)過程，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)、合金的瞬時液相焊接、電子材料焊接等。

多尺度集成計算的另一個重要發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)件服役行為的計算機模擬，尤其是發(fā)動機熱端部件(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，通過有限元方法，結(jié)合實驗測得的關(guān)于構(gòu)件服役溫度與壓強等環(huán)境參數(shù)，可建立熱端部件在不同服役環(huán)境下整體的應力場與溫度場。發(fā)動機熱端零部件在服役過程中存在疲勞、蠕變、以及裂紋萌生與擴展等影響發(fā)動機完整性與服役壽命的關(guān)鍵問題。從微觀層面上講，位錯在滑移面上的往復滑移、位錯攀移、相界面滑動、駐留滑移帶以及微裂紋萌生與擴展等微觀過程，是導致熱端部件性能蛻化并失效的關(guān)鍵因素。利用分子動力學與位錯動力學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模擬[25-26]，結(jié)合相應的實驗測試結(jié)果，可模擬位錯滑移與駐留滑移帶的形成與演化過程，揭示熱端部件在不同服役環(huán)境下的疲勞與蠕變失效機制，建立疲勞與蠕變機制與服役環(huán)境(動態(tài)的應力場和溫度場)、以及合金成分之間的關(guān)聯(lián)，為加速新一代國防裝備的建設、推動關(guān)鍵裝備中重點技術(shù)突破提供新的視野與有力支撐。

2　高通量實驗技術(shù)

新時期國防工業(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、所需材料無法滿足裝備性能設計需求等特點。因此，急需對傳統(tǒng)材料研發(fā)模式進行根本性的革新，以滿足國防工業(yè)日益發(fā)展對航空新材料的需求。傳統(tǒng)材料研發(fā)模式依賴于成分與工藝的不斷“試錯”實驗優(yōu)化，結(jié)合對結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的不斷理解，以獲得滿足性能指標的材料。但是，新型關(guān)鍵材料具有成分多元化、復雜化、微結(jié)構(gòu)多級化等特點，傳統(tǒng)的“試錯”模式在實際材料開發(fā)中不僅耗費巨大，而且?guī)缀蹼y以取得成功。

高通量實驗平臺是發(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)強調(diào)計算材料科學在變革材料研發(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)模式可以脫離實驗技術(shù)支撐，或者僅僅需要一些已經(jīng)具有的、通過傳統(tǒng)實驗手段就可以簡單獲得的實驗數(shù)據(jù)。此外，對高通量實驗技術(shù)認識的另一個常見誤區(qū)是強調(diào)實驗技術(shù)的“驗證”角色，認為如果不需要驗證計算結(jié)果的可靠性，高通量實驗技術(shù)是可有可無的。實際上，高通量實驗技術(shù)貫穿材料基因組技術(shù)的整個范疇：材料數(shù)據(jù)庫、高通量集成計算、材料制備工藝仿真、材料服役狀態(tài)下力學行為的計算機模擬。

就數(shù)據(jù)庫而言，高通量實驗平臺可以為數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支撐。如材料的熱力學與動力學數(shù)據(jù)、不同合金成分對應的彈性模量、硬度、擴散系數(shù)、熱導率等力學與物理性能數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)如果通過傳統(tǒng)方法進行實驗測試，不僅耗費巨大，而且周期過長，從而使材料研發(fā)速度嚴重滯后于工業(yè)零部件的實際需求，使關(guān)鍵裝備的發(fā)展受困于關(guān)鍵材料瓶頸。就高通量集成計算而言，高通量實驗技術(shù)為各種計算模擬工作提供計算目標，比如：通過高通量實驗技術(shù)發(fā)現(xiàn)高溫相對合金力學性能起到關(guān)鍵作用，在計算模擬時只需要尋找擴大并穩(wěn)定對應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。但對于不斷涌現(xiàn)的新合金和新工藝，需要及時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算機模擬。傳統(tǒng)實驗測試方法很難滿足這些需求，而高通量實驗平臺則很好地解決了這些問題。

材料基因組概念中的高通量實驗技術(shù)具有快速制備快速表征各類金屬與非金屬樣品的能力，典型的高通量實驗方法有擴散多元結(jié)[27]與材料基因芯片[28-29]等技術(shù)。制備擴散多元結(jié)的基本原理可以通過擴散偶來理解[30-31]：當兩種異質(zhì)金屬緊密接觸并在高溫下發(fā)生相互擴散，將形成一個元素成分呈梯度變化的擴散區(qū)，通過對擴散區(qū)元素的測定與物相分析，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散，通過對擴散區(qū)元素成分的測定與物相檢測，將獲得材料對應的三元相圖。此外，結(jié)合微區(qū)物理與力學性能測試分析技術(shù)，如納米壓痕、微/納小柱壓縮、飛秒激光時域熱反射等實驗方法與技術(shù)，可獲得擴散多元結(jié)中不同成分對應的硬度、彈性模量、熱導率等重要參數(shù)，從而指導新材料研發(fā)過程中的成分優(yōu)化與微觀組織控制。

組合材料芯片技術(shù)是重要的高通量實驗技術(shù)之一，通過計算機控制下的離子束濺射與磁控濺射，結(jié)合靶材自動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)，可對材料芯片中不同樣品的微結(jié)構(gòu)、力學、物理等性能進行測試與表征，如材料的硬度、彈性模量、熱導率、比熱容、熱膨脹系數(shù)等[35-38]?；诓牧闲酒某煞?、微結(jié)構(gòu)、以及性能測試與表征數(shù)據(jù)，可快速獲得并建立目標材料的成分-微結(jié)構(gòu)-力學性能關(guān)系，從而為材料基因工程數(shù)據(jù)庫的大數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)支撐，并為全面認識目標材料的結(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)，可對多種金屬材料(如高溫合金、Ti合金、Al合金等)的相圖進行繪制，并對其微結(jié)構(gòu)及演化進行表征，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，高通量實驗平臺不僅包含制備材料芯片或者擴散多元結(jié)的樣品制備設備，以及微區(qū)力學性能、物理性能等快速檢測快速表征設備，如納米壓痕、微區(qū)3D數(shù)字成像、時域熱反射裝備等，也包括必備的傳統(tǒng)力學性能測試與微結(jié)構(gòu)表征裝備，如萬能試驗機、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)分析與性能檢測裝備的重要補充。

3　材料信息學與數(shù)據(jù)庫技術(shù)

近年來，大數(shù)據(jù)這一概念在科學與工程領(lǐng)域興起并快速擴展，引起大量不同領(lǐng)域研究者的廣泛興趣?，F(xiàn)代科學與工程的各個領(lǐng)域都會涉及大數(shù)據(jù)的概念，例如：Navier-Stokes湍流模擬過程中追蹤流場演變所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、分子動力學模擬金屬塑性變形過程中存儲原子空間位置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、Hubble望遠鏡資料庫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器對隨時間不斷膨脹的數(shù)據(jù)集進行存放，利用通訊協(xié)議實現(xiàn)服務器中數(shù)據(jù)集的遠程調(diào)用與管理，利用專門的算法對不同數(shù)據(jù)集自身和數(shù)據(jù)集之間進行分析并提取有價值的信息，并用專門的軟件實現(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)庫技術(shù)。

大數(shù)據(jù)在應用于材料科學與工程領(lǐng)域之前，在其他領(lǐng)域已有多年發(fā)展與應用的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗對材料科學與工程領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應用具有重要的借鑒意義。根據(jù)這些經(jīng)驗，典型的大數(shù)據(jù)應用包含數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、以及數(shù)據(jù)協(xié)作三個環(huán)節(jié)。例如，美國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)中心將實時采集的數(shù)據(jù)進行存儲、歸檔，并利用解釋性語言和可視化軟件對數(shù)據(jù)進行分析。同時，分析人員可以通過數(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)中心或者遠程分析人員可以通過OPeNDAP系統(tǒng)訪問專用的數(shù)據(jù)服務器，實現(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)深入到材料科學與工程的各個方面，如材料成分篩選、工藝優(yōu)化、微結(jié)構(gòu)機理分析、以及物理與力學性能評估等。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)包括化學成分、加工與熱處理工藝、微觀組織特征、物理性能、以及力學性能(如強度、伸長率、疲勞壽命、裂紋擴展速率、蠕變速率、溫度與應變率敏感性等)；非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)包括測試所用的儀器設備、測試與檢測標準、測試環(huán)境溫度與氣氛條件等影響實驗數(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。

材料信息學通過數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)協(xié)作，實現(xiàn)從已有數(shù)據(jù)中提取高價值信息與知識的目的。所謂的高價值信息與知識，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提出材料信息學具有分層次多級目標[40]，圖3是多層次目標的示意圖。第一層次的目標是通過數(shù)據(jù)分析得出微觀組織在工藝過程中的演化規(guī)律，并歸納不同微結(jié)構(gòu)特征對性能的影響趨勢。數(shù)據(jù)分析主要是針對感興趣的數(shù)據(jù)集，通過一定的規(guī)則剔除異常數(shù)據(jù)，過濾數(shù)據(jù)正常波動所產(chǎn)生的噪音并扣除測試標準差異所產(chǎn)生的背底，從而發(fā)現(xiàn)并提取出高價值的參量關(guān)聯(lián)規(guī)律。例如，金屬熱處理過程中存在大量關(guān)于晶粒尺寸、熱處理溫度、保溫時間的數(shù)據(jù)，如果利用已有數(shù)據(jù)分析熱處理溫度與保溫時間對晶粒尺寸的影響規(guī)律，容易得到晶粒尺寸與熱處理溫度成指數(shù)關(guān)系、而與保溫時間成正比例關(guān)系的結(jié)論；另一個例子是金屬屈服強度與晶粒尺寸的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析可以得到屈服強度與晶粒平均尺寸成反比的結(jié)論。

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

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

第三層次目標是在第一、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，針對材料在具體環(huán)境中的應用問題，直接逆向給出材料設計方案。比如，針對材料在某一溫度下的強度不得低于某一臨界值這類問題，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

傳統(tǒng)材料科學與工程的研究思路是通過成分(C)、工藝(P)的調(diào)整，獲得具有理想微結(jié)構(gòu)(S)與性能(P)匹配的目標材料。傳統(tǒng)材料研究思路更多依賴于經(jīng)驗累積與不斷試錯，而材料基因組技術(shù)體系下的材料研發(fā)思路，是集成實驗、計算和數(shù)據(jù)庫技術(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(如強度、塑性、疲勞壽命、蠕變率等)方面的實際需求，逆向設計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，設計并優(yōu)化具體的材料成分與制備工藝，即PSPC逆向解決成分設計與工藝優(yōu)化問題。

為實現(xiàn)從傳統(tǒng)材料研發(fā)的CPSP試錯模式到材料基因組的PSPC按需設計模式的轉(zhuǎn)變，需要布局四方面能力：(1)材料信息學與數(shù)據(jù)庫技術(shù)；(2)集成計算材料設計能力；(3)材料虛擬工藝技術(shù)；(4)材料虛擬服役技術(shù)。

(1)材料信息學與數(shù)據(jù)庫技術(shù)：材料信息學是現(xiàn)代先進材料研發(fā)的重要技術(shù)手段與發(fā)展趨勢，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，面向材料設計、材料研制、性能查詢與分析、設計選材應用等不同層次的需求，對材料數(shù)據(jù)的定義、結(jié)構(gòu)表達及應用技術(shù)進行深入研究，建設材料數(shù)據(jù)庫及專家系統(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)上建設材料數(shù)據(jù)管理與應用平臺；為材料的研制和選材應用提供專業(yè)化的材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)解決方案。

(2)集成計算材料設計：集成計算材料設計是利用集成計算手段，通過對材料的成分組成、微觀組織、性能等進行多尺度建模計算，實現(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”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，對于將來材料研究與實現(xiàn)材料自主創(chuàng)新具有不可估量的重要作用。材料虛擬設計技術(shù)主要包括材料原子尺度高通量計算技術(shù)、材料計算相圖與成分設計技術(shù)、材料微觀組織與性能預測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)元素，從時間與空間上涵蓋了原子尺度第一性原理方法、計算熱力學方法、介觀尺度相場方法、材料性能計算基礎(chǔ)物理模型等計算方法以及高通量快速制備與表征實驗技術(shù)，使新材料設計打通了材料成分-工藝-組織-性能的四面體關(guān)系，是實現(xiàn)材料高效率精準研發(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)值模擬的方法對鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、復合材料成型等各類材料加工工藝進行虛擬仿真，通過多物理場耦合計算，準確預測材料制備過程中的各種場變量、組織性能、殘余應力與變形控制、缺陷信息以及設備載荷等，進而指導材料制備工藝的優(yōu)化設計，實現(xiàn)材料的高效、低成本制備。材料虛擬制備技術(shù)專業(yè)的特點是：1)多尺度，材料加工工藝模擬不僅關(guān)注材料在制備過程中的宏觀行為，而且關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)的控制及其對性能的影響，涵蓋微觀、介觀、宏觀三個尺度；2)需要實驗數(shù)據(jù)支持與驗證，材料加工工藝仿真的準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)的準確性，因此，材料虛擬制備技術(shù)需要實驗數(shù)據(jù)的支持和驗證。材料數(shù)字建模與仿真專業(yè)涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括元胞自動機法、相場法、有限元法等微觀、細觀、宏觀等不同尺度上模擬計算方法，以及材料成形理論、材料加工工藝、材料微結(jié)構(gòu)力學等材料學理論。

(4)材料虛擬服役技術(shù)：以損傷力學、斷裂力學、細觀力學、分子動力學、流體動力學、傳熱學等相關(guān)理論為基礎(chǔ)，以計算機模擬技術(shù)如有限元分析、多物理場模擬、晶體塑性有限元、分子動力學、位錯動力學、計算流體動力學等為手段，針對材料及裝備在復雜的高溫、高應變、多軸載荷等實際工作環(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程與機理，預測服役壽命，從而為新材料的研發(fā)、新裝備的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化提供集成計算的技術(shù)支撐。

5　總　結(jié)

材料基因組技術(shù)基于計算材料科學、高通量實驗表征與測試、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等，是對傳統(tǒng)新材料研發(fā)模式提出的全新的變革，是材料科學研究與新材料研發(fā)在新時期的重要突破與創(chuàng)新，是解決國計民生與國防工業(yè)中關(guān)鍵技術(shù)材料瓶頸的重要途徑。自材料基因組計劃提出以來，得到材料科學家的積極響應并取得一系列重要進展。但是，在當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)，完全拋棄實驗支撐而直接計算出新材料的成分與工藝，實現(xiàn)新材料的完全按需設計，仍然是不現(xiàn)實的。

通過建設與發(fā)展高通量計算模擬、高通量實驗樣品制備與表征、服役環(huán)境下材料力學行為的計算模擬、以及數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，并基于已有的海量實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，充分利用傳統(tǒng)材料科學領(lǐng)域中對材料成分、工藝、微結(jié)構(gòu)與力學性能相互關(guān)聯(lián)規(guī)律的認識，積極發(fā)揮材料基因組技術(shù)在新材料研發(fā)過程中的作用、切實推進材料基因組技術(shù)發(fā)建設與發(fā)展，對充分認識并全面推進材料基因組技術(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值。

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(責任編輯：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與工程集成計算，(E-mail)guanbiam@163.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.008

TB30；V250

A

1005-5053(2016)03-0071-08