Detail předmětu
Modelování materiálů I
FSI-WMO Ak. rok: 2016/2017 Letní semestr
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
Zajišťuje ústav
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.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program M2A-P: Aplikované vědy v inženýrství, magisterský navazující
obor M-MTI: Materiálové inženýrství, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
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
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