计算机在材料科学与工程中应用综合实验 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:西南交通大学出版社

作者:方培良

出品人:

页数:80

译者:

出版时间:2007-7

价格:8.00元

装帧:

isbn号码:9787811046694

丛书系列:

图书标签:

• 材料科学
• 计算机应用
• 工程实验
• 综合实验
• 高等教育
• 理工科
• 实验教学
• 软件应用
• 数据分析
• 科学计算

深入理解材料的量子世界：基于第一性原理的计算模拟技术 本书并非专注于材料科学与工程领域中计算机应用的具体实验指导，而是聚焦于支撑现代材料设计与理解的理论基石——基于量子力学的计算模拟方法。 --- 第一部分：计算材料学的理论基石 本卷将带领读者系统地建立理解和运用先进计算模拟工具所需的坚实理论框架。我们不会过多探讨具体的工程应用案例，而是将重点放在方法论的精确性和适用性上。 第一章：量子力学基础与材料的本质 本章回顾了薛定谔方程在描述多电子体系，特别是固体晶格结构中的核心地位。我们将深入探讨Born-Oppenheimer近似的物理意义、局限性及其在计算中的必要性。重点内容包括：电子与原子核的有效势能描述，以及如何将一个复杂的N体问题简化为可计算的模型。此外，本章还将介绍在材料科学中常用的有效哈密顿量构建方法，例如紧束缚模型（Tight-Binding）的原理，为后续更精确的计算方法打下基础。 第二章：密度泛函理论（DFT）的精髓 密度泛函理论是当代计算材料学最核心的工具。本章将全面剖析 Hohenberg-Kohn 定理的数学结构与物理内涵。我们不会止步于定义，而是深入探讨 Kohn-Sham 方程的推导过程，并对各种交换关联泛函（Exchange-Correlation Functionals）进行严格的分类和性能评估。读者将详细学习局部密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）及其后续发展，如GGA+U和混合泛函的引入，旨在理解不同泛函对计算结果（如能带结构、晶格常数和反应能垒）的系统性偏差来源。 第三章：周期性边界条件与晶体结构表示 材料科学中的大部分研究集中在晶体材料上。本章详细阐述了如何利用布洛赫定理（Bloch's Theorem）将无限周期性体系转化为有限的、可计算的数学模型。我们将严谨推导倒易空间（Reciprocal Space）的概念，重点介绍布里渊区（Brillouin Zone）的几何特性及其采样方法，如Monkhorst-Pack方法。同时，本章也会涉及对称群理论在简化计算和分类材料电子态中的应用，确保读者对晶体对称性有深刻的认识。 --- 第二部分：先进计算方法与算法实现 本部分将超越基础的静态结构计算，聚焦于实现高精度、大体系模拟所需的高级算法和动力学方法。 第四章：平面波基组与赝势方法 本章详细介绍了平面波展开作为基函数的优势与挑战，特别是其在处理周期性体系时的自然适应性。核心内容在于赝势（Pseudopotentials）技术的原理，包括如何用较少的计算量来模拟价电子的精确行为，同时“忽略”难以处理的实心原子核与内层电子的相互作用。我们将对比不同类型的赝势（如Norm-Conserving, Ultrasoft, PAW）的物理基础和对计算精度的影响。 第五章：电子结构计算的求解器 本章深入探讨求解 Kohn-Sham 方程的具体数值技术。我们将分析对角化方法（如Lanczos或Ritz方法）在处理大型矩阵时的效率问题。重点将放在迭代求解器（Iterative Solvers）上，特别是泊松方程的有效求解策略，如K-space中的傅里叶变换加速。此外，本章还会引入线性标度（Linear-Scaling）算法的初步概念，探讨如何将计算复杂度从$O(N^3)$降至$O(N)$，这是处理数万原子体系的关键技术。 第六章：从静态结构到动态演化：分子动力学（MD） 本章将计算方法从电子结构扩展到原子层面的时间演化。我们首先介绍基于力场的经典分子动力学，重点在于Verlet积分算法和各种集成器的优缺点。随后，本书将核心转向从头算分子动力学（ab initio MD, AIMD），解释如何利用DFT计算的瞬时力来驱动原子运动。关键内容包括：如何有效计算HK路径上的能量梯度，以及如何处理电子态的非绝热演化（如Landau-Zener交叉）。 --- 第三部分：超越基态：激发态与材料响应 本部分关注材料在外部扰动下的行为，这些现象通常无法仅通过基态DFT计算来描述。 第七章：激发态的理论：GW近似 本章旨在系统阐述如何描述电子的激发态性质，例如光学吸收、光电子能谱。我们将详细介绍Green’s函数理论在描述多体系统中的威力。核心内容是GW（Green's function and Screened Hartree-Fock）近似的推导与应用，重点分析如何通过引入屏蔽库仑作用（Screened Coulomb Interaction）来更精确地计算电子的准粒子激发能，并讨论其在校正DFT中带隙问题上的优势。 第八章：晶格振动与材料热力学 材料的热学性质和晶格稳定性依赖于原子间的振动模式。本章将引入基于有限差分法和密度泛函微扰理论（DFPT）的计算方法来确定原子间的二级导数——力常数矩阵。读者将学习如何利用这些矩阵计算声子色散关系、电子-声子耦合项以及材料的晶格热容和热导率。 第九章：缺陷、掺杂与材料微观结构模拟 本章探讨了材料中非完美结构对性能的影响。我们将详细讨论超胞（Supercell）方法在模拟点缺陷（空位、间隙原子）、位错和晶界时的构建原则与局限性。重点分析如何利用计算工具精确计算缺陷的形成能、迁移能垒和电子能级，为理解材料的退化机制和优化掺杂策略提供理论工具。 --- 总结： 本书旨在为希望深入理解现代计算材料学理论框架的科研人员、高年级本科生及研究生提供一个详尽的参考。它侧重于方法学的原理、数学推导和算法实现的逻辑，而非特定软件的操作手册或特定材料的实验数据复现。通过对DFT、AIMD、GW等核心理论的剖析，读者将能够批判性地评估计算结果的可靠性，并选择最合适的计算策略来解决复杂的材料科学问题。

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如果非要挑剔，这本书在某些高阶主题的介绍上，或许可以再多展开一些篇幅，但瑕不掩瑜。总的来说，对于任何希望在当前这个技术驱动的时代保持竞争力的材料科学研究人员，这本书都是**必读之作**。它成功地将“实验”的严谨性和“计算”的灵活性完美地融合在一起。我个人在使用这本书进行毕业设计课题的初期探索时，受益匪浅。它提供的不仅仅是工具，更是一种解决问题的哲学——即通过计算手段，将材料科学从传统的“试错驱动”彻底推向“设计驱动”的新阶段。这本书让我对未来材料的研发充满信心，因为它清晰地展示了计算能力如何成为我们手中最锋利的“手术刀”，精准地切入材料世界的微观结构，从而实现宏观性能的优化和控制。我强烈推荐给所有刚接触计算模拟，或者希望系统梳理自己计算工具箱的同行们，这本书绝对物超所值。

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这本书的深度和广度让我感到非常震撼。我原以为它会集中在某一个具体的计算模块，但它涵盖的范围之广，着实超出了我的预期。它对**材料信息学（Materials Informatics）**的引入，尤其令我眼前一亮。在当前大数据驱动的科研浪潮下，如何高效地筛选和利用海量材料数据，是摆在所有研究者面前的难题。这本书很前瞻性地展示了如何利用机器学习模型，比如回归分析或神经网络，来预测材料的特定性能，例如硬度或导电率，这比传统的试错法高效了不知多少倍。书中的案例研究非常贴近工业前沿，比如针对高熵合金的设计优化，它没有停留在简单的理论推导，而是展示了如何建立数据驱动的模型，快速迭代出具有优异性能的候选材料。我特别欣赏作者在处理复杂数据时的严谨性，他们不仅展示了如何运行算法，更深入剖析了输入数据质量对模型结果的决定性影响，教会了我们“垃圾进，垃圾出”的深刻道理。这种将现代数据科学工具无缝集成到传统材料科学流程中的编排，无疑是这本书最核心的价值所在，它让我看到了未来材料研发的新范式。

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天呐，这本**《计算机在材料科学与工程中应用综合实验》**简直是材料学学子和科研人员的福音！我拿到这本书的时候，内心是极其期待的，因为我一直在寻找一本能将理论知识与实际操作紧密结合的教材。这本书的结构设计得非常巧妙，它不是那种枯燥的理论堆砌，而是通过一系列精心设计的实验项目，引导我们深入理解计算机模拟方法在材料设计、性能预测以及微观结构表征中的强大作用。例如，书中对第一性原理计算的介绍，不仅详细阐述了理论基础，更重要的是，它提供了可以直接上手的操作指南，让我们能亲手完成从晶体结构构建到电子态密度分析的全过程。这种“边学边做”的模式，极大地提升了我的学习兴趣和动手能力。特别是对于像我这样对计算化学背景不太扎实的初学者来说，书中的图文并茂的解释和详尽的步骤分解，简直是救星。读完前几章，我已经能独立使用某些基础的模拟软件进行简单的材料体系的能量最小化计算了。这本书真正做到了将晦涩的数值方法转化为直观可感知的工程实践，对于培养我们解决复杂材料问题的能力，打下了坚实的基础。它不仅仅是一本实验指导书，更像是一位循循善诱的导师，引领我进入计算材料学的广阔天地。

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坦白说，市面上很多所谓的“应用”类书籍，往往在“应用”的环节做得不够深入，或者代码示例陈旧，难以运行。但这本**《计算机在材料科学与工程中应用综合实验》**在这方面做得近乎完美。它的配套资源极其丰富，我想这是很多读者和我一样，深感赞赏的一点。作者不仅提供了清晰的教材内容，还附带了一个活跃的在线代码库，确保了所有示例代码都可以在最新的操作系统和软件环境下流畅运行。这一点至关重要，因为计算机环境的快速迭代常常让纸质教材的技术内容迅速过时。此外，书中对于模拟结果的可视化处理也有独到的见解。我们都知道，模拟的输出往往是海量的数据点或复杂的晶格结构图，如何将这些数据转化为具有说服力的科学图像，是成果展示的关键。书中专门辟出章节讲解了如何使用先进的可视化工具，将分子动力学模拟的轨迹图、有限元分析的应力分布图等，制作得既美观又准确，极大地提升了我的报告和论文质量。这种对细节的关注，体现了作者深厚的工程实践经验。

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这本书的叙事风格非常引人入胜，它不是冷冰冰的指令集，而更像是一场精心策划的探险之旅。我尤其喜欢它在介绍不同模拟方法时所采用的类比和比喻，使得那些原本听起来高深莫测的数值方法（比如有限元法或蒙特卡洛方法）变得生动起来。比如，在讲解晶格缺陷的热力学稳定性时，作者用“房间里的杂物堆积”来形象地比喻缺陷的形成能，一下子就抓住了核心概念。这种教学上的匠心独运，对于那些需要跨学科学习的读者来说，无疑是巨大的帮助。它成功地搭建了一座连接理论物理、计算数学与实际材料工程之间的桥梁。我感觉自己不再是被动地接受知识，而是在积极地探索和构建模型。每一个实验模块都设计得像一个需要解决的小“谜题”，驱动着你去思考：为什么采用这种势函数？为什么这个时间步长是合适的？这种强烈的反思和批判性思维的训练，才是这本书真正的价值所在，它培养的不仅是操作技能，更是科学的思维方式。

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