1.研究目的及意义

1.1目的

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、利用Matcloud计算平台获得超高分子量聚乙烯材料分子量与力学性能之间的关系

1.2国内外研究现状

集成计算材料工程的概念最早是由2008年美国国家研究理事会出版的一份报告中所提出的一门新的学科，其目的是通过材料计算工具与其他工程领域的计算工具相结合，使得材料的研发时间大大缩短^[1]。2011年，奥巴马正式提出“材料基因组计划”（MGI）。与此同时，欧盟于2011启动第七框架项目“加速冶金学”（ACCMET）。2012年，欧洲科学基金会还推出了2012-2022欧洲冶金复兴计划；日本也启动类似的材料科学计划。随着我国综合国力的不断提升，我国于2011年在科学院和众多院士的带领下进行了“材料科学系统工程”的香山会议。2016年科技部发布了国家重点研发计划高性能计算等重点专项申报指南，启动了“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项。专项的主要研究内容是，构建高通量计算、高通量制备与表征和专用数据库等三大示范平台；研发多尺度集成化高通量计算方法与计算软件、高通量材料制备技术、高通量表征与服役行为评价技术，以及面向材料基因工程的材料大数据技术等四大关键技术；在能源材料、生物医用材料、稀土功能材料、催化材料和特种合金等支撑高端制造业和高新技术发展的典型材料上开展应用示范^[2]。在2002年，日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域“生产技术先进仿真软件”的开发；2009年，开始“间隙控制材料设计和利用技术”，同年，文部科学省联合推行“分子技术战略”。新加坡高性能计算研究院开发的APEX(Advanced ProcessExcept)数据挖掘技术已被用于解决工业问题^[3]。近年来，我国新材料的研发在几代科学工作者的不懈努力下取得了较为瞩目的成绩，但是由于起步晚、起点较低的缘故，与发达国家的材料基因组工程的发展相比，整体水平存在不小的差距。总的来说，我国新材料产业在发展过程中存在如下问题--^[4]: = 1 * GB3 ①我国材料研究多以跟踪和仿制为主，虽然有不少技术和工艺上的创新，但是工程化应用程度仍然不够，缺乏国际竞争力，特别是融合计算、测试和表征、开发、优化的高速立体材料开发模式尚未形成。 = 2 * GB3 ②与欧美、日本国家相比，我国在材料计算方法及模拟计算软件开发等方面仍处在购买引进国外的计算软件和数据库的水平，具有自主知识产权的软件和数据库较为缺乏。 = 3 * GB3 ③随着国家对新材料产业的高度重视，国内很多高校、科研院所已拥有世界上先进的合成、表征和测试等方面的仪器设备，但基本处于各位己有，平台协同共享公用存在很大的难度。 = 4 * GB3 ④尽管我国从事材料研究的高校、科研院所及企业等单位众多，但材料从发现到应用全过程数据采集、整理工作不够系统和全面，造成大量数据闲置与浪费，使得材料数据库建设进展十分缓慢，知识产权保护体制机制亟待改进。材料基因工程的工作模式可大致总结为试验驱动、计算驱动和数据驱动3种。以“数据 人工智能”为标志的数据驱动模式围绕数据产生与数据处理展开，代表材料基因工程的核心理念和发展方向^[5]。以前的材料研究多以“试错法”结合经验进行材料的预测重组，而现在正在想科学的第四范式进行根本的转变。在数据密集型的科学时代，快速获取大量材料数据的能力成为关键，而基于高通量试验与高通量计算的“数据工厂”是满足材料基因工程数据需求的重要平台。通过借助量子力学结合机器学习的方法（QM/ML），帮助寻找一种潜在的材料“结构-组分-性能”关系模式，从而以一种有理论依据、可预测的方式，与试验相结合用于指导新材料设计，是材料基因组计划的一个重要核心理念之一^[6]。随着材料基因计划的不断进行，世界各个国家取得了大大小小的不同的进展，而下一个挑战是开发一个用于高通量结构评估的通用程序，通过该程序，我们可以快速估计大量预测结构的物理和化学性能，并从中挑选出我们期望的性能作为我们的合成目标^[7]。按照欧盟网格基础设施（EGI）的定义高通量计算是“A compute paradigm thatfocuses on the efficient execution of a large number of loosely-coupled tasks”^[8],它更强调一种计算范式如何有效的执行大量的低耦合的任务。比如HTCondor实现高通量计算的一种范式，但是其并不是特别适合于高通量材料计算。国外的设计平台较国内的有一定的优势，比如美国的弗吉利亚理工报道该校物理系的S.Cheng和他的团队研制出一个叫做IMAGIVE的高性能计算系统；再如国内广泛使用的第一原理计算软件VASP由维也纳大学研发，其他的第一性原理计算软件CASTEP由剑桥大学研发，ATK由丹麦QuantuamWise公司研发等。相比于国外，国内的相关计算平台较为稀少且尚在开发使用完善阶段，其中较为突出的是Matcloud计算平台，基于高通量材料计算平台的Matcloud设计并实现了针对过渡态搜索的计算功能，并实现了其自动计算流程。同时，融入了自动纠错机制，以减少诸如几何优化过程中不收敛问题的错误，增加平台过渡态计算的可靠性^[9]。材料基因组计划促进大规模模拟晶体结构筛选和预测材料性能。这涉及到对大量仿真作业、仿真文件和仿真数据的管理，需要开发一个全面的网络基础设施。MatCloud提供了一个有效的高吞吐量计算基础设施，用于集成管理材料模拟、数据和资源^[10]。在20世纪70年代，英国利兹大学的Capaccio和Ward第一次成功研制出超高模量聚乙烯纤维(UHMWPE)。1975年，荷兰帝斯曼(DSM)公司的Smith和Lemstra发明了凝胶纺丝法，成功制备出UHMWPE纤维，1979年申请了专利。1985年，正式商业化生产。1990年，荷兰DSM公司成功实现了UHMWPE纤维的工业化生产。20 世纪80 年代初我国开始对UHMWPE纤维进行研究，中国纺织科学研究院、东华大学、天津工业大学、盐城超强高分子材料工程技术研究所共同开发了高浓度原液纺丝技术，实现UHMWPE纤维的量产^[11]。通过对超高分子量聚乙烯材料分子量的模拟计算，得出与其材料力学性能的关系。通过对UHMWPE发展的学习，我了解到聚乙烯具有其他大部分塑料材料的优点，如耐冲击、耐磨、卫生无毒性、耐腐蚀、自润滑、耐低温、不吸水、抗拉伸、密度小、不易沾附等的综合性能^[12]。超高分子量聚乙烯，由于它是分子量很高的柔性聚合物，通过延伸可使分子链充分贯穿于结晶部分，从而获得高度取向结晶、完全伸直的链结构^[13]。该材料的力学性能集合了大部分塑料材料的优点，在生活中被广泛的应用。超高分子量聚乙烯材料纤维具有断裂强力超高、直径细、质量轻、低伸长、高安全和高抗疲劳强度等特性^[14]。塑料按其物理性能可分为热塑性塑料和热固性塑料，按照工业用途可分为工程塑料和特种工程塑料，超高分子量聚乙烯属于热塑性工程材料^[15]。对于超高分子量聚乙烯材料，它萃取后具有更加优良的性能，如将纳米SiC分散在萃取剂中，在UHMWPE冻胶纤维的萃取过程中对纤维进行改性，研究了改性前后的各项结构性能的改变^[16]。在超高分子量聚乙烯分子量的研究中，研究人员发现了，相同的分子量对于材料的力学性能影响不大，在研究两种相近的UHMWPE力学性能和耐磨性能，结果表明，两者在拉伸强度、弯曲强度、屈服模量以及耐磨性能上差异不大^[17]。随着近代科学技术的进步，通过材料基因工程结合高通量集成计算平台来研究新型材料的方式越来越成为一种趋势，我国颁布了许许多多的文件中曾多次提出重点支持高性能碳纤维、芳纶、高强度聚乙烯等纤维的研发及生产装备建设，以满足国民经济及尖端技术领域的需求，由此可见，超高分子量聚乙烯纤维是符合国家及行业产业政策，是国家鼓励发展的特种纤维之一，发展前景广阔^[18]。

1.3意义

基于上述的优异性能，UHMWPE已经代替钢材等一些材料，广泛应用于大部分行业。本文对研究UHMWPE的力学性能与其分子量之间的关系，不仅对于实际的应用具有指导意义，还可以为将来的材料应用提供一个研究方向。