摘 要

材料基因工程作为近年来材料科学与工程领域新颖的理念和方法，创造了材料研发的新模式，也在材料领域打开了一个新方向。本文首先通过全面了解材料基因工程的概念和内涵，旨在掌握材料基因工程的核心。材料基因工程的关键就是高效的融合了高通量模拟计算、高通量实验计算和大数据库三大要素。因此本文对目前我国自主研发的高通量集成运算平台--Matcloud进行了详细的了解，并掌握如何使用。在此基础上，本文以聚氨酯（PU）材料为例，进行了力学相关的模拟仿真计算，希望通过这次模拟计算，更好的掌握和理解材料基因工程、高通量集成运算和Matcloud之间的联系。

关键词：材料基因工程；高通量集成运算；聚氨酯；Matcloud

Abstract

Material genetic engineering, as a novel concept and method in the field of materials science and engineering in recent years, has created a new model for material research and development, and has opened a new direction in the field of materials. This paper first aims to grasp the core of material genetic engineering by comprehensively understanding the concept and connotation of material genetic engineering. The key to material genetic engineering is the efficient integration of high-throughput simulation calculations, high-throughput experimental calculations, and large databases. Therefore, this paper has a detailed understanding of Matcloud, a high-throughput integrated computing platform independently developed by China, and how to use it. On this basis, this paper takes the polyurethane (PU) material as an example, and carries out the mechanical simulation simulation calculation.I hope that through this simulation calculation, I can better grasp and understand the connection between material genetic engineering, high-throughput integrated computing and Matcloud.

Keywords: material genetic engineering; high-throughput integrated computing; polyurethane; Matcloud

目 录

摘要 ………………………………………………………………………………….……………………………………………………Ⅰ

Abstract………………………………………………………………………………………………………………………………...…Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.1.1研究目的 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.2.3聚氨酯材料的研究 4

1.3本文研究的基本内容、目标、以及才去的的技术方案和措施 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究目标 4

1.3.3技术方案及措施 5

1.4本章小结 5

第2章Matcloud的介绍和使用 6

2.1Matcloud的介绍 6

2.2Mtcloud的使用 8

2.3本章小结 11

3模拟计算及结果分析 12

3.1模拟计算操作 12

3.2模拟计算结果 15

3.3本章小结 18

4总结与展望 19

4.1总结 19

4.2展望 19

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1研究目的和意义

1.1.1研究目的

本文以材料基因工程、第一性原理密度泛函指数理论为基础，运用Matclound平台对聚氨酯材料进行力学性能预测，聚氨酯作为高分子有机化合物，具有很多优异的性能，所以由聚氨酯加工成的复合材料性能将会更好，功能也会更广泛。因此，本文的研究目的如下：

（1）全面了解材料基因工程的概念和内涵；

（2）掌握高通量材料集成计算及数据管理平台MatCloud的使用；

（3）以聚氨酯材料为例，利用MatCloud平台进行案例计算；

（4）利用MatCloud平台获得聚氨酯材料的力学性能参数。

1.1.2研究意义

创新材料的研发模式，加速材料的研发过程，降低材料的研发成本是世界各国研究的热点。而材料基因工程是近几年来材料科学和各个工程领域相结合的新颖方法和理念, 材料基因工程是当今材料科学领域中的一次飞跃与革命，而且材料基因工程是材料科学和技术发展的重要一步，是新材料开发的动力源，也是开发新材料的“推进器”。所以全面了解材料基因工程的概念与内涵非常有必要。而且近几年来，国内外聚氨酯行业还是保持快速增长的状态。在2013年，我国的聚氨酯总产量和销售额占据全球总销售额的40％以上，它的规模已经占据了世界榜首。按照我国聚氨酯工业协会的给出的结果，在2013年我国聚氨酯的总产量已经达到了870万吨，相比于增长了11.5％。在这其中，聚氨酯合成泡沫有3.4亿吨，氨纶达到40万吨，弹性体达到70万吨，合成的革浆料和鞋底的溶液达到230万吨，聚氨酯涂料达到140万吨，以及密封剂和粘合剂达到50万吨。在2013年，聚氨酯材料在绝缘材料、机械和汽车建筑等领域的使用明显大大增加^[1-2]。聚氨酯作为一种在各个方面性能优异的有机高分子材料,已经和国民经济的各个方面产生了密切的关联。并且在不久的将来伴,随着我国人口的不断增加,城市的发展也越来越快，,以及建筑方面、汽车家电和一些纺织品等行业的消费升级，聚氨酯的应用规模和范围正在扩大，预计将继续以高于国民经济的平均速度增长。因此，通过材料基因工程和第一性能原理研究聚氨酯材料的力学性能具有重要的价值和意义。

1.2国内外研究现状

材料基因工程是将过去的实验筛选的方法与高通量实验计算和数据库技术相结合，以及通过物理建模、数学实验计算和材料科学原理等这些方法，来预测分析一些材料的结构组成和性质，使以后新材料的研发从过去的完全经验型向理论预测型的转变成为了现实，这种成功被认为是材料研发史的一次革命性的变革^[3-4]。主要探究各种材料微观构成和其性能之间的变化关系，通过改变材料微观分子或者原子结构、堆积方式或搭配，结合不同的加工工艺，最终得到可以在工程商应用的具有特定性能的新材料^[5]。材料基因工程核心的理念是基于计算、数据和实验为“三位一体”，基于经验和实验，改造传统的“试错法”材料研究和开发模型，并把开发、发现、生产以及应用新材料的速度提高到当前水平的两倍。材料基因工程的目标是通过优先化和实验验证的模拟和理论预测创建一个新的研发文化模型，取代现有的经验和实验材料开发模型。这需要集成的基础架构和高吞吐量的软件框架^[6-7]。下面是关于材料基因工程的国内外研究现状。

1.2.1国外研究现状

观望整个世界范围，美国，欧盟，日本，新加坡等世界各个发达国家和地区都对材料基因工程进行了研究，对新材料的开发是分重视。早在2001年，美国提出的“高级计算科学发现项目”就预示了美国要进行对新材料的摸索和探究。随后在2011年，美国政府开展并启动了材料基因组计划，这个计划旨在寻找、开发、生产和应用先进材料，并利用先进材料的优越的性能替换一些原始材料，并尽可能的降低成本。美国的目标是提升发现新材料的速度，并在成本方面降低一倍。如此，在新材料开发领域，美国将拥有十足的全球竞争力。就在2011年6月24日，美国的总统奥巴马还宣布了一个5亿美多元的大计划，这个计划就是“先进制造业伙伴关系”，在这个计划中，有一项举措就是实施“材料基因组计划” ( Materials Genome Initiative，MGI)，材料基因组计划"是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。先进材料复杂的物理与化学特性可以因不同的应用需要而相应调整，并可以在合成、生产和使用过程中改变。由此可见，先进材料将在未来材料领域占有一席之地，美国是多么看重材料基因组这个计划。与此同时，欧洲也启动了一项计划，名为“加速冶金” ( Accelerated Metallurgy，AccMet) 计划^[8-10]。美国正在努力创建一个新的“循环”发展过程，鼓励材料科学家关注制造过程，并收集各种实验团队和新材料的数据、代码和计算工具，以建立专用的数据库以达到数据共享。试着让新材料从实验室到工厂加工这个想法成为现实。而欧洲国家则认为，在人类的发展史上，能促进人类文明进步，科技发展的动力，相比于其他材料，金属和合金的使用做出了巨大贡献，更何况欧盟一直以来都非常注重美国和欧洲启动的这两个大型计划，表明了这两个国家对新材料研发和应用极为重视，他们旨在加快材料研发和应用的速度，并且降低研究成本和周期，降低失的败风险，以提高在新材料领域中的全球竞争力。

1.2.2国内研究现状

鉴于发达国家如欧洲和美国在该领域的异军突起，国内的许多材料科学也承任在该领域和技术行业与国际的先进水平有一定差距。但是，这既是一个大的挑战，也是一个非常好的机遇，我国可以把握好这次机会，通过这个跳板跻身于世界前列。“材料基因组计划” 为我们的材料领域发展快速追赶上世界材料发展先进水平提供了非常好的机遇，为我们大踏步的发展以及缩短与发达国家的差距提供了平台。因此，实行中国版的“材料基因组计划”迫在眉睫，也是为了我国在未来新材料领域或者其他高科技领域中处于被动地位，这样就会在与其他国家的竞争中处于落后的状态，从而失去全球竞争力。许多国内钢铁公司已经认识到计算机模拟的重要性，并且已经引入了计算软件和数据库，例如热力学和动力学，用于研究和开发优质的新钢铁材料。国内的许多高等院校和研究所也陆续开展了有关第一性原理计算的相关工作，基本的计算包括分子的流体运动计算、量子物理学计算、高通量材料基本表征、材料模拟、材料预测分析、性能预测、热力学与动力工程测试技术、综合模拟分析多角度计算和建造一流的大数据库^[11]。在2011年12月，许多著名的材料科学家，以及学术界师昌绪院士和徐匡迪院士都参加了在北京召开的香山会议，本次会议由中国科学院同中国工程院联合发起，主题就是材料基因工程，在这个会议上，材料界的科学家们提出了各自不同的想法，最后总结为，我国应该尽快实施自己的材料基因组计划，建立以高通量集成运算、高通量模拟实验、机器学习、数据共享的“材料基因组计划”平台。就在2012年12月，“材料科学系统工程发展战略研究——中国版材料基因组计划”正式启动，这是一个由工程院实施和领导的大型项目。随后，中国科学院材料科学项目咨询研讨会于2013年11月11日至12日在北京举行，参与者进行了高通量计算和材料预测以及高通量材料组合和数据库基因组数据库建设，并对科学管理和先进的物理实验及材料的性能表征已经做出了一份详细的报告^[8]。在2016年2月，科技部发布“重点国家研发计划高性能计算等特殊项目”，启动了“材料基因工程专用技术与支持平台”重点项目。该项目完成了40项关键研究任务，实施周期为5年。根据分布式实施和关键突破的原则，2016年启动了14项关于材料生物技术关键技术和示范应用的研究任务。尽管如此，但我国与其他发达国家相比，依旧存在较大的差距，主要面临一些问题，比如我国在很多的材料研究方面都以仿制为主，虽然多多少少在一些工艺上做些更新，但仍不具有国际竞争力，尤其是一些高通量模拟计算、材料工程测试技术和表征测量、计算软件开发、高速立体多元材料开发模式尚未形成。还有就是与其他发达国家相比像欧美、日本等，我国的自主研发能力不足，在一些模拟软件上的开发力度不够，需要引进外国的计算软件以及数据库，自然也限制了我国的发展。但随着我国对材料基因工程的重视，国内的许多高校、科研院所也拥有了世界上比较先进的模拟计算软件和数据库，但他们之间很少交流，也谈不上共享资源，基本算是各自占为己有，这也对我国的新材料发展有着极其不利影响。

1.2.3聚氨酯材料的研究

聚氨酯，作为一种有机高分子化合物，在制备这种材料时，用到了扩链剂，正是因为这种扩链剂的原因，导致聚氨酯这种材料在塑料性质、强度性能、橡胶性质、弹性性质这些性能上非常优异。目前，在高分子材料中，聚氨酯材料是唯一一个在泡沫、橡胶、塑料、纤维等多个领域都具有应用价值的材料，这也决定了聚氨酯材料的用途之广、种类之多、发展之快。如今，聚氨酯材料的应用非常广泛，主要在建筑、汽车、机电等领域，所以在这方面世界各国的竞争也加剧。

在合成材料中，相比于隔热、隔音和弹性这样的性能，聚氨酯都是首屈一指的，也是其他材料是完全无与伦比的。与此同时，而它的耐磨性，耐油性和耐水性也相当不错。其广泛的物理性能，优异的加工性，灵活的设计和各种聚合物结构的加工可根据不同的物理要求^[12-13]。考虑到聚氨酯的这些优异性能，如果与其他材料复合制造复合材料，预期获得的新材料将有更广泛的应用，美国科学家， Haleem^[14-15]等人获得了聚氨酯飞灰立方体的试块。材料的应力——应变曲线关系和聚氨酯粉煤灰在混凝土梁加固试验中的应用取得了良好的加固效果。所以运用第一性原理通过高用量计算的方法来预测聚氨酯材料的力学性能非常有意义，与其他材料复合后可能会得到具有良好的粘结性能、拉伸强度、高韧性、轻质高强、耐磨性能的新型复合材料，这也算是运用材料科学对新材料的一种研发。

1.3本文研究的基本内容、目标、以及采取的的技术方案和措施

1.3.1研究内容

全面了解材料基因工程的概念基本内容及发展史，以及各个国家的在新材料领域中的发展近况，明白材料基因工程对未来发展的影响。而材料基因工程的核心部分是高通量材料集成计算，目前，国内能实现高通量计算和数据管理的平台MatCloud比较出色，所以，主要的研究内容就是掌握MatCloud的一些算法，利用MatCloud平台获取关于聚氨酯材料分子量与其材料力学性能之间的关系。

1.3.2研究目标

了解第一性原理密度泛函理论和高通量计算的概念以及内涵，仔细阅读关于MatCloud的相关文献，通过注册Matcloud，利用该平台提供的一些资料，加以学习，并能够掌握MatCloud上面的一些流程及计算方法。查找相关文献或资料，获得聚氨酯的相关数据，并利用MatCloud进行相关计算，以获得聚氨酯材料的力学性能预测。

1.3.3技术方案及措施

（1）首先注册MatCloud，开通VASP试用权限，熟悉一些与力学相关的计算流程。尝试自己走一遍流程，为聚氨酯的计算做准备；

（2）搜集与聚氨酯材料有关的文献或资料得到其晶胞放到MatCloud中进行计算；

（3）整理其数据结果并对其图标作出分析，得到聚氨酯材料分子与其力学性能的关系。

1.4本章小结

本章主要介绍了论文的研究目的及意义并对材料基因工程以及其各国的发展史做了一些介绍，还有国内外对它的一些研究现状，并且了解到材料基因工程为新材料研发领域打开了一扇新的大门，我国需要及时采取措施，以增加未来的国际竞争力。还有通过材料基因工程延伸出来的高通量集成计算以及接下来要介绍的MatCloud平台。这些或多或少的都可借鉴对未来新方法新技术的研究具有指导意义。最后对本文的研究内容及所实行的技术方案进行了简单的描述。

第2章 MatCloud的介绍和使用

2.1 MatCloud的介绍

在第一章提到了要建立我国自己的材料基因组计划，并了解到了在材料领域，新材料设计方式从传统的“尝试错误”方法向计算机材料设计方法的转变可以有效地加速新材料的发现。所以，运用计算机运行大规模高通量模拟计算以生成大量数据进而进行数据采集与管理成为了关键，所谓高通量材料集成计算其实质就是探索怎么样才能将组合化学上的“高通量集中筛选”和“单元的构建”这两个概念应用到材料设计中，并且尝试通过材料模拟计算的寻找和筛选材料组成的基本构建单元，尝试创造新化合物，并结合材料信息学该技术集成了数据，代码和 材料计算软件，通过数据挖掘创建材料成分，结构和性能的定量关系模型，作为新材料设计的指南。因此我国必须拥有自己的高通量材料集成计算、模拟计算平台以及数据库。而MatCloud就是目前我国自己的高通量集成计算平台，VASP（Vienna Ab-inito Simulation Package）是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包^[16-17]。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一，但是使用VASP不但要求用户掌握VASP的原理和使用方法，还要熟悉linux操作，计算结果数据的处理也比较繁琐，另外还需要掌握一定的建模技术和技巧。为了降低VASP使用的门槛，中科院计算机网络信息中心材料基因工程实验室研发了一个支持VASP使用的网络化、图形化、及集成化的平台MatCloud。该平台包括计算机平台和数据库平台，通过调用VASP等第一性原理软件在超级计算机上进行大批量的计算，并将相应的计算结果保存到数据库中。第一原理方法已经被广泛应用于物理、化学、生物学和材料科学领域。所谓第一性原理，它是基于量子力学原理,计算时只需要知道所需要的原子的种类和原子坐标即可，然后根据薛定谔方程求解，此外不需要任何参数，也是成为探索和研发新材料首选方法的重大原因。第一原理计算不仅有助于我们更好地理解和解释实验现象，它们甚至可以帮助我们设计材料。使用第一原理方法，我们可预先研究材料在实验条件达不到的情况下的物理和化学性质，如结构、电子、力学性质等。所以本文是基于此平台来对聚氨酯材料进行力学性能预测。该平台的初始页面和整体架构设计如图2.1和图2.2所示。

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