Cibermateriais: materiais por design e inserção acelerada de materiais

npj Computational Materials volume 2, Artigo número: 15009 (2016) Citar este artigo

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A inovação em cibermateriais implica uma integração de Materiais por Design e inserção acelerada de materiais (AIM), que transfere a idealização do estúdio para a fabricação industrial. Ao montar uma arquitetura hierárquica de design computacional integrado de materiais (ICMD) com base em bancos de dados fundamentais genômicos de materiais, os modelos de design mecanístico do ICMD aceleram a inovação. Revisaremos aqui o progresso no desenvolvimento de modelos de ligação do paradigma processo-estrutura-propriedade-desempenho, bem como ferramentas de aceleração de design relacionadas. Ampliar a capacidade de desenvolvimento de materiais com base no controle estrutural em nível de fase requer investimentos mais fundamentais no nível do Genoma de Materiais, com foco na melhoria de modelos de design paramétrico aplicáveis ​​e na construção de bancos de dados de alta qualidade. São abordadas oportunidades futuras na pesquisa genômica de materiais que atendem tanto ao Materials by Design quanto ao AIM.

A iniciativa multiagências de longo alcance, Materials Genome Initiative (MGI),1,2 destaca técnicas computacionais de design de materiais baseadas em bancos de dados fundamentais, que podem apoiar a ambição de diminuir o ciclo completo de desenvolvimento de novos materiais nos atuais 10-20 anos. a 5 anos. Como um subcampo do campo mais amplo da engenharia computacional integrada de materiais (ICME), que inclui a modelagem de materiais existentes,3,4 o MGI centra-se no design de novos materiais e na sua qualificação acelerada através da previsibilidade inerente dos sistemas projetados. A criação da infraestrutura desta tecnologia tem sido uma atividade global, conforme resumido em uma série recente de artigos de vista sobre genômica de materiais.5–10 Particularmente notável foi o trabalho de design de Bhadeshia8 na Universidade de Cambridge e seus ex-alunos, incluindo Harada11,12 e Reed.13 Os maiores resultados da compressão de ciclo completo foram demonstrados em pesquisas nos EUA, que serão o foco deste artigo.

No desenvolvimento de projetos de materiais de engenharia aplicada alimentados por bancos de dados genômicos termodinâmicos e cinéticos fundamentais, uma infraestrutura hierárquica chamada ICMD apresenta um cenário comprovado de projeto genômico de materiais para inovação acelerada em engenharia. Conforme indicado na Figura 1, a espinha dorsal da infraestrutura do ICMD é composta por técnicas de Materials by Design e de inserção acelerada de materiais (AIM). A aplicação de ambas as técnicas abrange todo o curso de inovação de materiais, que pode ser dividido em três fases: implementação do conceito, design de materiais e processamento e qualificação de materiais. A qualidade da inovação de materiais é determinada pelos modelos mecanicistas aplicados na estrutura do ICMD, que seguem o paradigma universal de processo-estrutura-propriedade-desempenho na ciência dos materiais.14 Em Materials by Design, tanto os modelos de processo-estrutura quanto de estrutura-propriedade são avaliado e refinado para maximizar a previsibilidade do modelo baseado no Genoma de Materiais, que é alimentado por pesquisas fundamentais em bancos de dados de alta qualidade. Embora a técnica AIM também tome modelos mecanísticos como base, ela requer esforço extra na quantificação da incerteza, análise de sensibilidade do projeto, simulação integrada de processos em nível de componente e previsão probabilística da variação de fabricação.

A arquitetura hierárquica geral dos métodos, ferramentas e técnicas da ICMD está destacada em verde e os bancos de dados estão marcados em amarelo. Observe que iCMD é o kit de ferramentas usado durante a aplicação de métodos ICME baseados no Genoma de Materiais. A figura foi reimpressa com permissão da Elsevier.

Uma revisão recente da aplicação do ICMD destaca conquistas notáveis ​​obtidas em materiais ferrosos.15 Esta revisão fornece mais detalhes sobre os modelos de ligação para Materiais por Design e métodos de qualificação adotados no AIM para uma transferência de tecnologia da inovação de materiais em escala de laboratório para a prática comercial industrial. . Ele é formulado como um instantâneo das inovações de materiais em designs de ligas selecionadas para melhorar o desempenho mecânico. A sua base é suficientemente geral para que todos os níveis de design de materiais partilhem os mesmos princípios, não apenas para metais e ligas, mas também para óxidos e polímeros.14,16,17