Detail předmětu

Modelování materiálů I

FSI-WMOAk. rok: 2014/2015

Počítačové modelování materiálů je moderním nástrojem pro studium mikrostruktury a vlastností materiálu a jejich vzájemneho vztahu. První část kurzu bude věnována tzv. výpočtům z prvních principů či ab initio výpočtům elektronové struktury, které vychází ze základních postulátů kvantové mechaniky a nepotřebují žádná experimentální vstupní data. Hlavní pozornost bude zaměřena na rozdílné přístupy v těchto metodách, jejich praktické použití a také jejich mezní limity.
V druhé části kurzu bude pozornost věnována popisu semiempirických metod pro modelování termodynamických funkcí, výpočet fázových diagramů komplexních systémů a práci s nimi ve vědecké i inženýrské oblasti. Hlavní pozornost bude věnována metodě CALPHAD, která je v současné době dovedena do podoby využitelné v průmyslovém praxi při vývoji nových materiálů a jejich přizpůsobování konkrétním požadavkům na jejich nasazení v praxi.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

doc. Ing. Vít Jan, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav materiálových věd a inženýrství (ÚMVI)

Výsledky učení předmětu

Studenti získají základní přehled o ab initio metodách a metodách pro termodynamické modelovaní, které mají využití v materiálovém inženýrství. Měli by být schopni posoudit výstupy těchto metod a sami provádět jednodušší výpočty.

Prerekvizity

Dobré znalosti z absolvovaných kurzů matematiky, fyziky a chemie, dále pak z těchto předmětů specializace: Základy chemické termodynamiky a kinetiky, Fyzika materialů.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí programů pro výpočty elektronové struktury a termodynamické modelování.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky udělení zápočtu: Základní podmínkou udělení zápočtu je absolvování všech cvičení a zpracování protokolů ze cvičení podle pokynů učitele.
Zkouška: Zkouška je ústní. Student vysvětlí teoretické téma a uvede stručně jak jednotlivé příklady řešil včetně základů metod a vztahů jež by použil.

Učební cíle

Seznámení posluchačů se základy ab initio výpočtů elektronové struktúry a jejich využití v materiálovém modelování. Dále budou posluchači seznámeni s používanými metodami výpočtů rovnovážných diagramů, včetně odpovídajícího software a dostupných databází relevantních termodynamických dat.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Cvičení jsou povinná a neúčast na cvičeních musí být omluvena. V případě neúčasti na cvičení student vypracuje ze cvičení protokol a prokáže vyučujícímu, že
danou problematiku pochopil.

Základní literatura

C. Kittel: Úvod do fyziky pevných látek, Academia, Praha, 1985. (CS)
Ellad B. Tadmor, Ronald E. Miller: Modeling materials : continuum, atomistic, and multiscale techniques, Cambridge University Press, Cambridge, 2014. (EN)
H.L. Lukas, S.G. Freis, Bo Sundman: Computational Thermodynamics (The Calphad Method). Cambridge Univ. Press, 2007 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program M2A-P magisterský navazující

    obor M-MTI , 1 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Zelený, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do počítačového modelování materiálů
2. Základy kvantové mechaniky, výpočty energií atomových orbitalů
3. Teorie chemické vazby, metody Hartree-Fock a LCAO molekulové orbitaly
4. Základy fyziky pevných látek, krystalové struktury, pásová teorie, metoda těsné vazby
5. Teorie funkcionálu hustoty
6. Praktické aplikace - elastické konstanty, elastické kmity mřížky, fonony
7. Praktické aplikace - difuzní koeficient, teorie transitivního stavu, povrchy
8. Úvod do termodynamiky, výpočetní termodynamika, minulost a současnost metody CALPHAD. Základy a aplikovatelnost.
9. Fázové diagramy, optimalizační metody, Marquardtův algoritmus, výpočty rovnováhy
10. Zdroje termodynamických dat
11. Modely pro Gibbsovu energii,
12. Modely pro dodatkovou Gibbsovu energii
13. Příprava „assessmentu“, tvorba termodynamických databází

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Martin Zelený, Ph.D.

Osnova

1. Superpočítače, základy Linuxu, základy programovaní
2. Ukázky výpočtů v kvantové mechanice
3. Seznamení s programy pro výpočty elektronvé struktury
4. Základní výpočty molekul a krystálů - rovnovážné parametry, pásová strktura
5. Určení základního stavu, trasformační dráhy
6. Výpočet elastických konstant
7. Výpočet difuzního koeficientu a simulace STM
8. Seznámení se softwarem pro termodybnamicke modelovaní, nejjednodušší příklady
9. Tvorba maker pro standardní výpočty fázových diagramů programem ThermoCalc
10. Pokročilá makra pro výpočty fázových diagramů
11. Nejčastější problémy při výpočtech fázových diagramů
12. Termodynamický „assessment“ - tedy tvorba termodynamického popisu jednoduché soustavy, využití experimentálních termodynamických a fázových dat
13. práce s termodynamickou databází