사이버재료: 디자인에 의한 재료와 재료의 가속 삽입

npj Computational Materials 2권, 기사 번호: 15009(2016) 이 기사 인용

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사이버재료 혁신에는 설계를 통한 재료의 통합과 재료의 가속 삽입(AIM)이 수반되며, 이는 스튜디오 아이디어를 산업 제조로 전환합니다. 재료 게놈 기본 데이터베이스를 기반으로 ICMD(통합 전산 재료 설계)의 계층적 아키텍처를 조립함으로써 ICMD 기계 설계 모델은 혁신을 가속화합니다. 여기서는 프로세스-구조-특성-성능 패러다임의 연계 모델 개발 진행 상황과 관련 설계 가속화 도구를 검토합니다. 단계별 구조 제어를 기반으로 한 소재 개발 역량을 확장하기 위해서는 적용 가능한 파라메트릭 설계 모델을 개선하고 고품질 데이터베이스를 구축하는 데 중점을 두는 Materials Genome 수준에서 보다 근본적인 투자가 필요합니다. Materials by Design과 AIM 모두를 지원하는 재료 게놈 연구의 미래 기회에 대해 다룹니다.

광범위한 다기관 기업인 MGI(Material Genome Initiative)1,2는 신소재의 전체 개발 주기를 현재 10~20년에서 단축하려는 야망을 뒷받침할 수 있는 기본 데이터베이스에 기반을 둔 컴퓨터 소재 설계 기술을 강조합니다. ⩽5년까지. 기존 재료의 모델링을 포함하는 더 넓은 통합 전산 재료 공학(ICME) 분야의 하위 분야인 MGI는 설계된 시스템의 고유한 예측 가능성을 통해 새로운 재료의 설계와 가속화된 자격 부여에 중점을 두고 있습니다. 이 기술의 인프라 구축은 재료 유전체학에 관한 최근 일련의 관점 논문에 요약된 바와 같이 세계적인 활동이었습니다.5-10 특히 주목할만한 것은 케임브리지 대학의 Bhadeshia8와 Harada11,12를 포함한 그의 이전 학생들의 설계 작업이었습니다. 및 Reed.13 전체 사이클 압축의 가장 높은 성과는 이 문서의 초점이 될 미국 연구에서 입증되었습니다.

기본적인 열역학 및 동역학 게놈 데이터베이스를 기반으로 하는 응용 공학 재료 설계 개발에서 ICMD라는 계층적 인프라는 엔지니어링 혁신 가속화를 위한 입증된 재료 게놈 설계 시나리오를 제시합니다. 그림 1에 표시된 대로 ICMD 인프라의 백본은 설계별 재료 및 AIM(재료 가속 삽입) 기술로 구성됩니다. 두 기술의 적용은 재료 혁신의 전체 과정에 걸쳐 이루어지며, 이는 개념 구현, 재료 및 공정 설계, 재료 검증의 세 단계로 나눌 수 있습니다. 재료 혁신의 품질은 재료 과학의 보편적인 프로세스-구조-특성-성능 패러다임을 따르는 ICMD 프레임워크에 적용되는 기계 모델에 의해 결정됩니다.14 Materials by Design에서는 프로세스-구조와 구조-특성 모델이 모두 다음과 같습니다. 고품질 데이터베이스에 대한 기초 연구를 기반으로 하는 Materials Genome을 기반으로 모델 예측 가능성을 극대화하기 위해 평가 및 개선되었습니다. AIM 기술도 기계 모델을 기본으로 사용하지만 불확실성 정량화, 설계 민감도 분석, 통합 구성 요소 수준 프로세스 시뮬레이션 및 제조 변동의 확률적 예측에 추가 노력이 필요합니다.

ICMD 방법, 도구 및 기술의 전체 계층 구조는 녹색으로 강조 표시되고 데이터베이스는 노란색으로 표시됩니다. iCMD는 재료 게놈을 기반으로 하는 ICME 방법을 적용하는 동안 사용되는 툴킷입니다. 그림은 Elsevier의 허가를 받아 재인쇄되었습니다.

ICMD 응용 프로그램에 대한 최근 검토에서는 철 재료에서 이루어진 주목할 만한 성과를 강조합니다.15 이 검토에서는 설계별 재료의 연계 모델과 실험실 규모의 재료 혁신에서 산업 상업 실무로의 기술 이전을 위해 AIM에서 채택한 자격 부여 방법에 대한 자세한 내용을 제공합니다. . 기계적 성능을 향상시키기 위해 선택된 합금 설계에 대한 재료 혁신의 스냅샷으로 공식화되었습니다. 그 기초는 금속 및 합금뿐만 아니라 산화물 및 폴리머에 대해서도 모든 수준의 재료 설계가 동일한 원칙을 공유해야 할 만큼 충분히 일반적입니다.14,16,17