材料数据库的现状与发展趋势
第17卷第6期
2007年6月
中国冶金 China Metallurgy
Vol. 17,No. 6 J une.
2007
材料数据库的现状与发展趋势
李 霞1,2, 苏 航2, 陈晓玲2, 杨才福2, 谢 刚1
(1. 昆明理工大学材料与冶金工程学院, 云南昆明650093;2. 钢铁研究总院结构材料研究所, 北京100081)
摘 要:材料数据库作为材料技术与信息技术发展、结合的必然产物, 在现代材料的生产、科研、流通和应用中正获得越来越广泛的应用。综述了材料数据库的发展历史及国内外的现状, 并展望了材料数据库的网络化、标准化、智能化和商业化的发展趋势。关键词:材料; 数据库; 发展; 应用
中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:100629356(2007) 0620004205
Present Status and Future of Materials Database
L I Xia 1,2, SU Hang 2, CH EN Xiao 2ling 2, YAN G Cai 2f u 2, XIE Gang 1
(1. College of Material and Metallurgy , Kunming University of Science and Technology , Kunming 650093, Yunnan ,China ; 2. Division of Structural Material Research , Central Iron and Steel Research Institute , Beijing 100081, China )
Abstract :As an inevitable production of material technology and da 2tabase has more and more extensive applications in production , , of modern materials. The history of materials database both at home and abroad was trend to , , intelligence and commer 2K ey w ; ; ; application
材料是提高人类生产和生活水平的物质基础,
是人类文明和进步的重要支柱。在材料的开发、生产、流通和应用过程中涉及到物和信息的大量流动。作为信息流通的载体和重要环节, 材料数据库技术在现代材料生产、科研、流通和应用中正获得越来越广泛的应用, 数据库相关技术已成为材料科学的一个重要分支。因此, 世界发达国家都十分重视材料数据库的开发和运用工作。
1 数据库的发展现状及进展
1. 1 材料数据库类别
材料数据库种类较多, 按数据存储形式可分为数值型、文献型和文献/数值综合型, 按数据服务模式则可分为离线型、局域网络型和互联网络型(图1) 。
早期材料数据库以数值型居多, 多以离线或局域网络的方式使用, 传播媒体主要是光盘、磁带、磁盘、手册等[1]。离线型材料数据库系统, 因其成本低和可在PC 机上运行则曾占领了广大的市场,
如
图1 材料数据库分类
Fig. 1 Classif ication of m aterials d atab ase
Granta 开发的“剑桥选材系统CMS ”, ASM Inter 2national 开发的“Mat. DB ”均是20世纪70～80年
代较流行的离线型选材系统[2]。随网络技术的普及, 新型材料数据库以文献型或综合型居多,
数据
作者简介:李 霞(19822) , 女, 硕士; E 2m ail :li -xia1982@163. com ; 修订日期:2007201225
库多以在线方式服务, 信息传播媒体以局域网络或互联网络为主, 服务范围包括文献、实验数据、标准、商业信息、用于CAD/CA E 的各种数据信息等。目前, 较著名的商业和专业材料网络数据库有美国的Mat Web 、日本N IMS 材料数据库等。1. 2 国外材料数据库
上都居首位, 其国家标准局建有数10个各类数据
库, 其中材料数据库占很大比例, 如合金相图、陶瓷相图、材料腐蚀、材料摩擦磨损等数据库; 晶体数据中心收集了10万晶体数据, 包括金属和非金属材料[4,5]; 国防部以CAL S 计划为牵引, 建立了大量的工程数据库, 服务于海军、陆军、空军装备以及国防部研发和建设, 其中涉及钢铁材料、有色金属材料、高分子材料、复合材料等多个门类[6]。 美国的综合型网络商业数据库Mat Web 以其通用型和方便性而著称。它包含了金属材料、塑料、陶瓷、复合材料等超过58000种材料的数据, 并可根据多种方式进行数据信息的查询, 如高级搜索, 根据材料的类型、性质、成分、品名及制造商等搜索, 检索十分方便, 见图2
。
1966年, 在世界各国对数据库的关注下成立了国际科技数据委员会(CODA TA ) , 材料数据库是历届CODA TA 年会的重要主题之一[3], 从某种意义上讲, 它的发展历程涵盖了材料数据库早期的发展历史。 世界工业发达国家都在建立各种材料数据库, 其中以美国、欧洲、日本投入最大, 拥有数据库数量也最多。美国所拥有的数据库不论在数量上或规模
图2 MatWeb 的查询结构
Fig. 2 I nquiry structure of MatWeb
欧洲各国数据库的开发主要是受欧共体的推
动。20世纪70年代, 由于英国、法国等对数据库活动十分积极, 欧共体计划投资1. 3亿美元开发数据库, 其中包括英国、法国、德国、比利时、意大利和荷兰等在内的欧共体成员国, 选择了11个材料数据库作为示范项目, 以推动各国材料数据库的发展[3]。德国政府于1974年采纳了一项数据库建设计划, 建起了包括材料数据库在内的许多专业信息中心, 其中德国技术试验协会建立的金属数据库SOL MA , 收录了3000种黑色和有色金属的数据20000多条[4]; 而Karl 2Wimacker 研究所进行了腐蚀防护咨
询软件的开发研究, 建立了腐蚀数据库、材料性能库和腐蚀文献摘要库[7]; SWDB 数据库收录了标准或非标准的黑色、有色金属及其它目前正用于工程领域的金属合金的大量信息[8]。法国目前共建有40多个材料数据库, 内容覆盖了大部分工业材料, 材料类型分配情况见表1[9], 其中法国物理冶金热力学实验室的锆合金热力学数据Zireobase 是为锆合金在核工业的应用而开发的[10]。英国有色金属数据中心、石油化学公司、钢铁公司、金属研究所国家物理实验室、RollsRoyce 公司等19个单位都建有各自的材料性能数据库, 涉及到的材料有橡胶、腐蚀、钢
材、电工材料、铝合金、化学冶金、高温材料等[11];
2005年, 英国Culham 科学研究中心等机构开发了欧洲聚变材料性能数据库(网络型数据库) [12], 用来收集、保存和扩展未来网络和反应堆的数据, 现正在建设和完善中。芬兰的TVO 与V T T 工业系统于2002年联合开发了TVO/V T T 材料数据库(专为管道材料数据设计) [13], 可同时获得材料的疲劳曲线、相似材料等信息, 为该领域材料的各种信息查询提供了极大的方便。
表1 法国材料数据库类型分布情况
T able 1 Distribution of types of m aterials
d atab ase in France %
项目企业活动数据库产品
金属
2023
CODA TA 年会, 同年10月在北京召开了第1次全
国材料数据库会议, 并在CODA TA 中国全国委员
会的领导下, 成立了材料数据组[3]; 同年, 国家计委批准“科学数据库及其信息系统”工程, 科学数据库的建设正式列入国家“七五”“、八五”重点工程项目, 而数据库也由化学扩展到生物、天文、腐蚀、能源和自然资源等学科, 显著推动了中国材料数据库领域的发展;1992年和2006年, 中国主办了第13届和第20届CODA TA 国际会议。 从80年代后期至今, 我国材料数据库有了很大的发展, 各行业的科研、高校和工厂等单位建立了大量不同规模、不同领域的材料数据库。已建并较完善的数据库有[11,16,17]:航空航天工业部材料数据中心和北京航空材料研究所联合建立了航空材料数据库和国家863复合材料数据库, 数据库存入8000个牌号的400万个数据值, 除航空材料外还有大量通用材料、特种材料和外国材料数据[17, 已完成, , 、接触疲劳、持久、、抗氧化等数据及11类25种曲线, 近年来已在拖拉机、轴承、内燃机、装载机、中小型电机、石油机械、起重运输等行业CAD 中得到应用[11]。郑州机械研究所的机械强度数据库为分布式数据库环境, 可使不同机器、不同管理系统联成一网, 解决了异型机之间的数据通讯问题[17]。武汉材料保护研究所和北京科技大学共建了腐蚀数据库。中科院长春应用化学研究所建立的稀土数据库收集了稀土的物理、化学性能和稀土提取等数据[17]。清华大学材料研究所等单位根据中国高科技研究发展计划对新材料领域的要求, 联合建成了新材料数据库, 包括新型金属和合金、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料5个子库[16]。有色金属研究总院创建了有色金属数据库, 包括360种铝合金数据, 其中162种选自前苏联,80种选自中国, 尚有铜合金和部分稀有金属存入数据库[17]。钢铁研究总院开发了合金钢数据库, 库内包括了国内合金钢体系的8个钢类共338个钢号, 使用户能在众多的合金钢材料中根据具体使用条件, 经济合理地选择所需钢种和工艺。中国科学院建立的科学数据库是目前国内信息量最大、学科专业最广、服务层次最高、综合性最强的科学信息服务系统, 截止“九五”末期, 科学数据库专业数据库已达到180个, 材料数据库是子库之一, 于2002年正式全面启动, 初期建设
聚合物
1719
复合材料
1512
建筑材料
923
日本数据库建设起步较晚, 多数始于20世纪80年代初, 但发展却较快, 现已建立起各类数据库上千个。日本金属研究所、、腐蚀立了碳/据库(CDDB ) [14]。此外, 日本科学技术公司开发了基于网络的支持扩散研究和材料设计的固体扩散数据库[15], 包括了铁基、镍基和锆基合金及钨合金等金属和核材料。日本国立材料科学研究院(N IMS ) 在材料数据库方面也很活跃, 为解决已有数据库资源过于分散且难以维护和更新的情况, 2001年N IMS 建立了材料信息技术研究所(M ITS ) , 整合了N IMS 建立的11个材料数据库系统, 其中有4个是
关于结构材料的,2个涉及到超导材料,1个聚合物数据库和4个物理性质数据库, 系统内含有1个综合性的检索系统MA T NAV I , 可进行树状检索和分类检索, 方便了用户使用。1. 3 国内材料数据库
数据库技术传入中国可追溯到20世纪70年代中期,1977年11月召开的第1次全国数据库学术会议, 对国内开展数据库技术的研究和应用起到极大的推动作用[3];1979年中国科学院化工冶金所与上海有机所共同建立了化学数据库, 有10多个子库, 材料数据是其重要组成部分[16], 这是中国材料数据库方面的先驱性工作;1986年是中国发展材料数据库的里程碑, 这一年中国首次派团参加了第10届
第6期 李 霞等:材料数据库的现状与发展趋势
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内容主要包括材料焊接数据库、材料环境性能与失效分析数据库、精密管材数据库、钛合金数据库和材料腐蚀数据库等7个子库。 为对这些分散各地的数据库实施整合, 充分利用现有数据资源建立起国家数据共享体系, 从2004年开始科技部在“国家科技基础条件平台建设”计划的6个重点领域中, 引入了“科学数据共享平台”这样一个国家级的大型科学数据库专题, 计划建立10余个科学数据共享中心和11个科学数据共享网。随着这一计划的实施, 国内材料数据库的建设将进一步向规范化、网络化和商业化方向发展。
图3 利用数据交换标准时的材料数据共享
Fig. 3 Material d ata sharing on use of stand ard
for d ata exchange
2 数据库发展趋势
材料数据库不仅是对已有知识的总结、有序化, 也为新材料的研究和开发提供科学的指导; 为生产管理、质量保障提供必要的数据和标准; 并给材料用户提供基本的指南, 使用户可以快速查询所需的材料乃至生产企业。从国际范围来看, 材料数据库正逐步走向网络化、标准化、智能化和商业化, 并在材用。2. 1 、彼此独立的数据库联成一完整的系统, 从而为全球范围内的研究者提供高效服务, 内容包括离线数据库在线化和在线数据库集群化。 尽管离线使用的数值型数据库由于成本低且可在PC 机上方便使用曾占领了广大的市场[7], 但随计算机网络技术的发展, 尤其是Internet 的迅猛发展以及网民数量的飞速膨胀, 网络已成为人们获取和发布信息的重要途径, 越来越多的离线材料数据库正向网络化发展。这一方面工作的典型包括日本N IMS Material Databases 、中科院科学数据库以及进行中的中国“科学数据共享平台”等。2. 2 标准化 材料数据库的标准化就是对材料数据采用标准化的数据接口, 直接服务于现代制造业, 为CAD 、CA E 、CAM 、CIMS 等技术提供数据支持。这一工作已有国际标准可循, 这就是ISO 10303“产品数据交
(Standard for Exchange of product 换标准-STEP ”
Data ) , 它规范了材料数据表示和交换的机制[18]。每一个应用程序只要将其数据转换成标准的数据格式输出, 就可与其它应用程序共享这些数据[19], 见图3
。
2. 3 智能化
析, 。, 数据库提供的应用已远超出原始的数据检索, 它可形成知识库并与人工智能技术结合, 构成材料性能预测或材料设计专家系统, 在材料研制、产品设计和决策咨询等方面发挥重要的作用。如中科院上海冶金研究所以材料数据库为基础, 结合图像处理、模式识别、人工神经网络和优化决策等手段, 建成用于辅助材料设计的智能数据库[20]; 日本的材料数据库大多是为材料设计而建, 东京大学在这方面的研究特别活跃[21]; 钢铁研究总院利用模式匹配方法发展了“多国材料牌号匹配技术”, 并应用于“中日钢铁材料牌号对照数据库”的开发[22]。2. 4 商业化
材料数据库的商业化是通过网络平台或其它媒介, 通过数据信息服务来支撑数据库的维护、运营和发展, 将数据信息商品化。材料数据库的商业化是推动材料数据库开发及其产业化的巨大动力, 这在现代社会的经济发展进程中是不言而喻的。 如前述提到的美国的网络数据库Mat Web 就是一个典型的商业数据库, 它提供的免费和注册收费对不同用户提供不同的服务, 收费用户的年费为75美元, 可得到更为全面的数据服务; 同时Mat Web 也通过广告等商业形式获取经营利润。 中国由于经济发展迅速, 材料需求旺盛, 钢铁工
8 中国冶金 第17
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业发达, 因此近年来应运而生了一大批钢铁材料信
息网站, 含有钢铁材料牌号、标准、供求信息等大量在线更新的数据资料, 为国内外材料用户和生产商提供有偿数据服务, 如中日合作开发的Mat Guide 网站就是服务于跨国钢铁材料选择的商业网站。这种形式也将成为现代材料数据库的重要分支方向。
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3 结语
材料数据库技术不断综合、汇总着信息科学和
材料科学的最新成果, 目前已在工程设计、新材料研制、工艺优化、理化测试和咨询决策中发挥了重要作用。不难看出, 材料数据库与现代信息技术, 如网络技术、知识库技术、计算机集成制造技术、人工智能技术等相结合, 开辟了材料科学新的领域。而网络化、标准化、智能化和商业化的发展趋势, 将使材料数据库的应用拓展到更为广阔的领域, 在材料研发、生产、流通和应用各个环节间构筑起信息沟通的桥梁。
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