火山喷发是包含大量热力学和动力学数据的系统的一个很好的例子。信贷:heights.18145Flickr (CC BY-NC 2.0)
人们对更快的通信、更好的医疗保健和更清洁能源的需求不断增长，对新材料的需求是不可否认的。然而，通过传统方法开发和部署新材料所需的时间太长了。
材料基因组计划(MGI)和全球材料信息学项目的一个共同目标是将这一时间从几十年减少到几年。通过阅读或听对MGI的采访了解更多詹姆斯•沃伦他是NIST材料基因组计划的主任2021年6月/ 7月槭树公告或陶瓷科技聊天播客。
加速材料开发的一个主要步骤是快速选择候选材料。陶瓷科学家和工程师已经使用相平衡图数据库(Phase)作为50多年来选材过程的一部分。PHASE提供了陶瓷材料体系的结构稳定性在原子水平上与元素(成分)和温度的比值的关系图。在某些情况下，还会考虑其他因素，如压力或环境气体成分。
在实际应用中，相平衡图被用来定义在给定的温度和成分下，假设最佳的加工条件或无限的时间使材料达到最稳定的条件，哪种或哪种晶体结构和液相会出现。当存在多于一种相(晶体或液体)时，相图提供晶体和/或液相的组成以及每种相的相对数量，以实现所关心的总体组成。
相图中所探讨的系统通常由少量的元素组成。最简单的二元体系包含两种元素，而伪二元体系则包含两种相关的化合物，要么是一个阳离子，要么是一个阴离子，比如碳酸锂，碳酸钠。三元图有三个元素，而伪三元图在更大的系统中有三个不同的元素。四进制的数量有限。
理解阶段图中的信息的关键是用于生成它们的过程的知识。对于PHASE数据库，热力学专家对每个相图进行批判性评估，并提供书面注释，包括所使用的实验条件和模型，以及对适用性的限制和其他注意事项。许多图表是以前在同一系统上发表的图表的更新，图表中包含的注释描述了差异，这通常归因于随着测量技术的改进而得到的更好的数据。
相平衡图的显著限制是对平衡的要求。如前所述，达到平衡需要最佳的处理和/或较长的时间。这些参数一般是无法达到的，对陶瓷制造当然是不实际的。实际冷却速率产生的较不稳定的状态最终会转向平衡态，尽管这可能需要数千年的时间。退火等后处理可以通过加速这种转变来稳定陶瓷。形成有益的沉淀是这种后处理的一个例子。
第二个限制是可用系统的范围。人们可能会认为PHASE数据库中的数千个系统将涵盖陶瓷中最可能的元素组合。然而，元素周期表中元素的可能组合比我们所探索的要多得多。第二，如上所述，阶段图显示在给定系统中变化的两个或三个(很少是四个)元素。
但是材料科学家们想要探索新的系统和含有更多元素的系统，包括新的玻璃和掺杂材料来提高性能。在这些情况下，他们将参考和比较多个阶段图，以近似可能发生的情况。然而，这种方法并不总是对围绕材料选择的关键问题提供充分的见解。
利用建模来填补空白和扩大属性预测的范围已经越来越受欢迎。在众多类型的模型中CALPHAD方法，它是相图和热化学的计算机耦合。泰戴维日本东北大学(Tohoku University)的助理教授，在她的书中描述了CALPHAD方法陶瓷科技聊天面试。她解释说:“所以，与相图计算、热力学、结晶学、力学性质等相关的实验和理论数据。它把所有的信息都整合到一个单一的模型中。”她继续解释了她如何使用它作为她的工具套件的一部分来探索高温材料，这些材料的实验是昂贵的，困难的，并充满了陷阱，如杂质。
一个最近网络研讨会由材料研究协会和thermal - calc(一个CALPHAD方法软件供应商)赞助，提供了CALPHAD结合实验和相平衡图使用的进一步见解。虽然目标材料是高熵金属合金，但对陶瓷科学家来说有大量显著的信息。
网络研讨会的演讲者、ACerS成员保罗•梅森(Paul Mason)提供的统计数据显示，68%的受访者会查阅手册或互联网数据来查找贴身材料。他还表明，多元素合金成分的微小变化可以产生成千上万种潜在成分。
CALPHAD方法也可以用来模拟动力学现象，如扩散迁移，从而洞察材料加工过程中发生的变化。该数据补充了相图的平衡热力学信息。
你可能想知道拥有CALPHAD是否可以满足实验室的所有需求。相图以非常快的方式提供了预期材料的一个视图，而CALPHAD提供了其他视图。但正如Davey和Mason所说，CALPHAD和PHASE是帮助指导在材料上进行实验以满足特定应用需求的最终目标的工具。