立方晶體材料的案例
：軟超材料非擴散相變：從非晶態到簡單立方和體心立方結構
軟物質材料的制備，性能表征和光學應用研究已成為當前研究的熱點。藍相液晶作為典型的軟物質材料，介于各向同性態和膽甾相之間的相態，具有不同的晶體對稱性，從各向同性態開始降溫，依次出現非晶態藍相III (BPIII)，具有O2 (P4232)對稱性的藍相II (BPII)和具有O8 (I4132)對稱性的藍相I (BPI)。目前，仍缺乏對藍相液晶BPIII，BPII和BPI間的相變過程的動態研究，其相變機理仍不甚清楚。
近日，中國科學院理化技術研究所王京霞研究員聯合華東理工大學鄭致剛教授，復旦大學，中國科學院化學研究所和日本中央大學等單位，在《Nature Communications》刊發了最新研究成果——《軟超材料非擴散相變：從非晶態到簡單立方和體心立方結構》。基于理化所前期研究發展的超穩定聚合物藍相液晶膜的制備（耐溫范圍 -190 ℃~350 ℃），結合透射電鏡、二維光學表征、同步輻射、原位激光及偏光顯微鏡對藍相液晶實空間微觀尺度和倒空間的動態觀察，證明藍相液晶BPIII?BPII和BPIII?BPI是非擴散相變過程，BPII?BPI之間是熱彈性馬氏體相變過程。利用藍相液晶的非擴散相變特征，制備了d色塊多疇藍相液晶膜，實現了60μm晶疇的微區激光和溫度可調控二進制三進制二進制碼。另外，還以BPII?BPI熱彈性馬氏體相變為模型，證明熱彈性馬氏體相變過程是具有兩步轉變過程。
圖1. 藍相液晶相變過程中織構的演變，聚合物穩定藍相液晶在Stage IV具有-190-340 ℃的溫度穩定性.
展開 超聲速螺位錯..
日前，中科院力學所、上海交大和浙江大學的團隊在晶體材料中的基本缺陷 – 螺位錯在變形過程中的超聲速現象研究方面獲得重要進展。他們發現面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"為題發表在物理評論快報上（Physical Review Letters 122,045501 (2019)）。
金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質，特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度–應力關系尚不明確。傳統理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動，但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析，發現銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩定地以聲速滑移，并都能超聲速運動(超過三個各向異性剪切波速，如下圖中的三個馬赫錐所示)。由于螺位錯運動過程存在結構不穩定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發現。同時，他們的工作表明，位錯的運動還與非施密特應力(不貢獻分解剪應力RSS)有關，與傳統施密特原理相悖。這項研究推翻了傳統連續介質力學中對超聲速位錯的認知，確認了超聲速螺位錯的存在。該研究結果為晶體材料的動態力學行為，以及孿晶界面的位錯運動提供更深入的理解。
各向異性晶體銅中超聲速螺位錯所產生的主要剪應力場（左側）以及其在超聲速運動時，突破三個剪切波過程中產生的馬赫錐
力學所彭神佑博士為論文第一作者，魏宇杰研究員為通訊作者，論文作者還包括上海交大金朝暉教授，浙江大學楊衛院士。
展開 立方相MnGeTe2——一種新型的熱電材料
具有立方結構的IV族碲化物半導體(PbTe和SnTe)已經引領了熱電領域的諸多革新。近年來， 非立方相化合物GeTe與MnTe也表現出很好的熱電前景。
同濟大學材料科學與工程學院裴艷中課題組在Science China Materials上發表文章，介紹了一種新型高效非立方相熱電材料MnGeTe2。
MnGeTe2是GeTe與MnTe的衍生化合物。本征態MnGeTe2因單質鍺的析出而存在高濃度的陽離子空位， 載流子濃度高達~3.6×1021cm?3，遠高于熱電應用所需，通過Bi的摻雜可使得載流子顯著降低(室溫下MnGe0.9Bi0.1Te2載流子約為~9×1020cm?3)。
圖1 室溫下MnGeTe2的結構
在這樣大的載流子濃度范圍內，一方面可以基于聲學聲子散射機制下的單拋物帶模型，實現對載流子輸運性質進行全面的評估; 另一方面還可以實現熱電功率因子的優化。此外，由于材料中存在高度無序的陽離子和陽離子空位，可在測試溫度范圍內獲得1.2 W m?1 K?1甚至更低的晶格熱導率。
當載流子濃度達到優化值~9×1020 cm?3時，在850 K各向同性的立方相下可獲得接近1.0的zT值以及高于200 HV的維氏硬度值，進一步證實MnGeTe2是一個很有前景的熱電材料。
Promising cubic MnGeTe2 thermoelectrics
周斌強, 李文, 王曉, 李娟, 鄭良濤, 高博, 張馨月, 裴艷中
Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9328-5
展開 huang晶體塑性umat耦合Johnson-cook 損傷模型，實現晶體材料彈-塑-損傷模擬分析
材料參數必須在轉變溫度或低于轉變溫度時測量。
損傷的發展可以公式化為:
公式中分母表示單元失效對應的Johnson-cook等效塑性應變，公式為：
分子表示為等效塑性應變增量，公式為：
公式中可以看到，損傷隨著塑性應變的增大不斷累積，直至材料的失效，通過損傷變量進一步與晶體材料的屈服面或者彈性性能的退化可以實現材料彈-塑-損傷的耦合模擬，當不對其進行耦合時，可以用來判斷材料的失效狀態與相關參數的關系。
參考文獻：《Crystal plasticity finite element modeling and simulation of diamond cutting of polycrystalline copper》編寫對應的材料子程序。在huang晶體塑性程序的基礎上，調用johnson-cookd損傷函數，編寫過程中，需要自定義響應的狀態變量，如等效塑性應變，等效塑性應變率，損傷變量，以及是否進行損傷單元的刪除分析。其中等效塑性應變增量的計算，通過滑移系統的分切應力與對應滑移系統剪切應變的乘積絕對值之后與等效應力的比值獲得。并最終實現損傷的表征，采用umat子程序進行編寫。
展開 
立方相MnGeTe2——一種新型的熱電材料
具有立方結構的IV族碲化物半導體(PbTe和SnTe)已經引領了熱電領域的諸多革新。近年來， 非立方相化合物GeTe與MnTe也表現出很好的熱電前景。
同濟大學材料科學與工程學院裴艷中課題組在Science China Materials上發表文章，介紹了一種新型高效非立方相熱電材料MnGeTe2。
MnGeTe2是GeTe與MnTe的衍生化合物。本征態MnGeTe2因單質鍺的析出而存在高濃度的陽離子空位， 載流子濃度高達~3.6×1021cm?3，遠高于熱電應用所需，通過Bi的摻雜可使得載流子顯著降低(室溫下MnGe0.9Bi0.1Te2載流子約為~9×1020cm?3)。
圖1 室溫下MnGeTe2的結構
在這樣大的載流子濃度范圍內，一方面可以基于聲學聲子散射機制下的單拋物帶模型，實現對載流子輸運性質進行全面的評估; 另一方面還可以實現熱電功率因子的優化。此外，由于材料中存在高度無序的陽離子和陽離子空位，可在測試溫度范圍內獲得1.2 W m?1 K?1甚至更低的晶格熱導率。
當載流子濃度達到優化值~9×1020 cm?3時，在850 K各向同性的立方相下可獲得接近1.0的zT值以及高于200 HV的維氏硬度值，進一步證實MnGeTe2是一個很有前景的熱電材料。
Promising cubic MnGeTe2 thermoelectrics
周斌強, 李文, 王曉, 李娟, 鄭良濤, 高博, 張馨月, 裴艷中
Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9328-5
展開 材料的理論斷裂強度 附晶體材料強度與斷裂微觀理論下載
材料力學低碳鋼拉伸試驗中，材料的變形分為四個階段：彈性階段、屈服流動階段、強化階段和徑縮斷裂階段，如圖1，其中當材料經過d點后，材料很快發生斷裂，該點對應的應力σb即為強度極限。但這只是實驗觀察到的現象，它與材料的理論斷裂值還有很大的區別。
假設材料的斷裂是由于原子間距被拉的太遠，超過了極限從而發生的斷裂。我們知道，原子之間的力與原子間的距離存在一定的關系，當原子靠的特別近的時候，原子間存在排斥力，當原子離的比較遠的時候，原子間存在相互吸引力，在某一距離下，原子間的作用力為0，即平衡位置。
現在我們來考慮原子間的力與應力的關系，根據應力的定義
顯然，曲線上的最大值σm即代表原子間的最大結合力——理論斷裂強度，即在理論上認為材料應力超過σm時將被拉斷。作為一級近似，該曲線可用正弦曲線表示。
而實際上，對于純鐵的抗拉強度是只有170～270MPa左右，我們熟知的Q235鋼，其抗拉極限為375～460MPa，Q345鋼的抗拉強度約是490-620MPa，遠遠低于材料的理論斷裂強度。主要原因在于公式(11)表示的是理想材料的斷裂強度，也就是說材料中沒有任何的缺陷。但這是不可能的，材料在冶金、鑄造、加工等過程中難免會產生一些初始缺陷，造成應力集中從而大大降低了材料的強度缺陷。
下載地址：晶體材料強度與斷裂微觀理論
展開 晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
晶體塑性有限元仿真入門(2)--BCC、FCC、HCP晶格材料以及多相材料的有限元模擬
這篇文章講解如何使用晶體塑性有限元方法(CPFEM)進行不同晶格材料以及多相材料的變形模擬，CPFEM是基于商業有限元軟件ABAQUS完成的建模，晶體塑性本構模型是使用的開源的UMAT用戶子程序(源碼和inp文件見附件)。采用CPFEM模擬了面心立方結構(FCC)、體心立方結構(BCC)和密排六方結構(HCP)的單晶、多晶及多相材料受到外部載荷時的力學響應。基于滑移原理的晶體變形理論，隨著變形的進行各滑移系統的臨界剪應力都會增大，CPFEM將捕捉到材料的力學響應(應力-應變曲線)。這些應力-應變數據有助于從根本上理解晶粒尺度下金屬變形的性質。
首先我們從一個簡單的FCC晶格材料的例子入手，講解如何進行有限元模型的創建，從完全新手的角度出發，一步步講解如何建模，賦予材料和處理仿真結果。
本文章包括以下八個部分：
1) FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
2) FCC晶格材料的變形模擬-多晶體
3) BCC晶格材料的變形模擬-單晶體
4) BCC晶格材料的變形模擬-多晶體
5) HCP晶格材料的變形模擬-單晶體
6) HCP晶格材料的變形模擬-多晶體
7) 多相材料的變形模擬
8) 參考資料
1. FCC晶格材料的變形模擬-單晶體
幾何模型
如圖1.1a在草圖里繪制R0.015mm的圓形，拉伸0.05mm，最后得到如圖1.1b所示的圓柱體(R0.015mm&H0.05mm)。
展開 【材料課堂】金屬與合金的晶體結構，共晶相圖
本文來自“材料基”。
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江雷院士團隊在光子晶體驅動材料研究取得新進展
驅動材料因能用于智能機器人、微型生物動態監測等領域而被廣泛關注。自然界中比如小麥、松果等很多植物種子的脫落過程就是受濕度變化誘導不均質的體積變化引起。傳統驅動材料多是將驅動層和支撐層連接在一起，基于驅動層在外界作用下的體積變化引起驅動。但雙層材料驅動器因其雙層結構間粘附力差在多次驅動過程中易分離等問題很難多次重復使用，為解決該問題，單一化學組成梯度型驅動材料應運而生。
江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內部的梯度的溶劑去浸潤過程實現了驅動現象，光子晶體膜發生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅動性能較差，很難滿足應用需求。隨后通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中并隨后進行光聚合，制備了具有連續彎曲/去彎曲行為的溶劑響應驅動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
近期，理化所光子晶體驅動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師范大學教授陳波合作，通過梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導致其化學組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結構色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅動行為可以通過薄膜的化學組成、孔洞大小及溶劑種類來調節。
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009 – COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅模型文件） ￥40
009 - COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅包含模型文件，40元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在Journal of Modern Optics上的文獻《A novel proposal for all-optical compact and fast XOR/XNOR gate based on photonic crystal 作者：Golnaz Tavakoli等》，用COMSOL重復其中的圖2；
計算所需的內存：8 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)；
涉及的內容：組件耦合-最大最小值、組件耦合-積分、自定義變量、非線性材料（Kerr材料）、完美匹配層、散射邊界條件、參數化掃描 等；
繪制了：電場模、電場z分量、光強分布、折射率分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，基本結構是三角晶格二維光子晶體波導。在兩個平行波導之間制造一個“><”形狀的耦合區域，耦合區域內部的介質柱替換為一種 Kerr 非線性材料。
Kerr 非線性材料的折射率與所處位置的光強有關，可表示為：
其中
光從 A 端口入射，由于 Kerr 非線性材料的折射率與光強有關，所以光經過“><”形耦合區域后，入射光強較大時光主要從 B 端口輸出，而入射光強較小時光主要從 D 端口輸出。
計算的內容和結果：
1、當入射光強較小時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
2、當入射光強較大時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
展開 
基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構演化------案例十五 ￥199
? 基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構演化
案例實操
1，基于dream3d管道生成長寬高為32*32*32的多晶模型，共包含322個晶粒
2，對于fcc，bcc材料分別施加工程應變為50%的拉伸和壓縮載荷
3，得到材料的應力應變曲線和變形后的取向分布情況
材料的初始取向分布
初始的晶體幾何模型
拉伸變形后材料的等效應力分情況
拉伸變形后等效塑性應變分布情況
拉伸變形后的取向分布
模型的應力應變曲線
壓縮變形后等效應力分布情況
壓縮變形后等效塑性應變分布情況
壓縮變形后的取向分布
平面應變壓縮變形后應力分布
平面應變壓縮變形后等效塑性應變分布
平面應變壓縮的取向分布（相比于vpsc軋制織構不明顯）
展開 華中科技大學朱錦濤、張連斌團隊在光子晶體彈性體材料領域取得進展
光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產生的光子帶隙結構，具有調控光傳播的作用。當可見光通過光子晶體時，特定頻率的光會受到光子帶隙的調制，導致部分可見光不能通過該材料直接被反射，從而使光子晶體產生特定的結構色。結構色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結構從而展現出鮮艷的結構色。
將光子晶體與聚合物彈性體結合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學傳感器等領域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時又避免不同觀測角度帶來的色彩不一致的問題仍然是該領域的一大挑戰。針對上述問題，華中科技大學化學與化工學院朱錦濤、張連斌團隊設計制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無角度依賴結構色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機械損傷以及不同觀測角度色彩不一致的局限。相關成果近期發表在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
圖 1基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無角度依賴的結構色彩。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復合，通過噴涂或快速溶劑揮發的方法誘導二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結構的光子晶體材料，該材料展現出鮮艷的結構色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調控其結構色彩。該材料還表現出無角度依賴的結構色，即從不同的角度觀察其顏色不發生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結構色可發生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復到之前的結構色，因此可用于可視化應力傳感領域。
展開 適合HCP mg合金的黃永剛Vumat的晶體塑性（之前推文對應的vumat版本，同時附上對應的材料參數）
/a(j,j)
do i = j+1,n
a(i,j) = a(i,j)*dum
end do
end if
end do
return
end
C----------------------------------------------------------------------
subroutine lubksb (a, n, np, indx, b)
include 'vaba_param.inc'
dimension a(np,np), indx(n), b(n)
ii = 0
do i = 1,n
ll = indx(i)
sum = b(ll)
b(ll) = b(i)
if (ii.ne.0) then
do j = ii,i-1
sum = sum-a(i,j)*b(j)
end do
else if (sum.ne.0.) then
ii = i
end if
b(i) = sum
end do
do i = n,1,-1
sum = b(i)
if (i.lt.n) then
do j = i+1,n
sum = sum-a(i,j)*b(j)
end do
end if
b(i) = sum/a(i,i)
end do
return
end
C----------------------------------------------------------------------
相關文件上傳到知識星球，直接再知識星球下載對應的程序和材料文件，參考文獻查看之前的推文
展開 強烈推薦一本晶體塑性的入門書籍《實現自己的材料庫》 黃仲偉
群里大佬推薦的書，對于新手入門很友好，原理，操作都有提到。
