微觀的案例
你真的得能講清楚什么是金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)嗎？（ 金屬材料科學(xué)與技術(shù)）
1什么是微觀組織結(jié)構(gòu)(Microstructure) ？
當(dāng)我們描述金屬的結(jié)構(gòu)時，我們應(yīng)該區(qū)別其晶體結(jié)構(gòu)(Crystal Structure)和微觀組織結(jié)構(gòu)(Microstructure)。晶體結(jié)構(gòu)主要用來表示一個晶胞(Unite cell)內(nèi)原子的平均位置，它由晶格類型和原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)（例如，通過X射線衍射確定）確定。換句話說，晶體結(jié)構(gòu)主要用來在原子尺度描述材料的形貌。相比之下，微觀組織結(jié)構(gòu)是在微米—厘米尺度范圍內(nèi)描述材料的形貌特征。微觀組織結(jié)構(gòu)的一個合理的定義是：“材料內(nèi)部相(Phase)和缺陷(Defect)的排布。”
微觀組織結(jié)構(gòu)的觀察可以采用一系列的顯微鏡進(jìn)行。在不同尺度下觀察一個特定的材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征時通常會發(fā)現(xiàn)差異很大。基于這一原因，在描述材料的微觀結(jié)構(gòu)時，最重要的是首先確定觀察的尺度范圍。如果尺度范圍選擇不當(dāng)，就很難得到你想要的結(jié)果，也不利于你對材料某些特性的理解和分析。材料微觀組織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和觀察是一門非常重要的知識，需要認(rèn)真理解和領(lǐng)會。
隕石的微觀組織結(jié)構(gòu)?
這里需要著重指出，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)影響材料的物理特性和行為。我可以通過控制材料的微觀組織結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)材料性能的目的。天然礦物結(jié)構(gòu)可以提供其復(fù)雜的歷史信息。微觀組織結(jié)構(gòu)學(xué)是所有材料和礦物科學(xué)的組成部分。
2還能答出這些微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)的問題嗎 ？
知道“微觀組織結(jié)構(gòu)(Microstructure)”“相(Phase)”“組分(Component)”“缺陷(Defect)”的定義嗎？
鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)
您知道如何觀察材料的微觀組織結(jié)構(gòu)嗎？光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和成像原理？普通掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)和成像原理？
展開 金屬增材制造的微觀結(jié)構(gòu)演化建模與仿真
增材制造工藝仿真主要研究：加工參數(shù)、粉末、幾何構(gòu)型等因素對于宏觀變形、殘余應(yīng)力、部件微觀內(nèi)部金相組織及性能的影響。
宏觀控形與微觀控性是金屬增材工藝中兩個重要考察指標(biāo)：
■ 宏觀控形重點(diǎn)關(guān)注翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問題；
■ 微觀控性需要關(guān)注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)和初始位錯密度等微觀特性，這些將決定金屬件力學(xué)性能和特性。
本期專欄，分享3D科學(xué)谷結(jié)合《Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review》論文中的探索，來理解仿真對金屬增材制造微觀控性方面的作用。
微觀的世界，更多挑戰(zhàn)
根據(jù)安世亞太，金屬增材制造過程獲得的微觀組織結(jié)構(gòu)將直接影響成型件的性能，獲得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶體組織是金屬增材制造的重要目標(biāo)。受金屬增材制造復(fù)雜過程的影響，晶體的仿真分析也具有相當(dāng)?shù)碾y度。[1]
通過宏觀分析或介觀分析得到的溫度場或相變結(jié)果數(shù)據(jù)后，可進(jìn)一步計(jì)算得到熱梯度、固化速率、冷卻速率和形態(tài)因子，這是微觀尺度進(jìn)行金相組織模擬的輸入?yún)?shù)。[1]
微觀組織數(shù)值模擬通常包含確定性方法、概率法和相場法。
■ 確定性方法通常有前沿跟蹤法，概率法則包含蒙特卡羅法和CA法。確定方法和概率方法模擬晶粒生長時都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對三維形貌模擬有一定困難。
■ 相場方法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ)，用微分方程體現(xiàn)擴(kuò)散、有序化勢和熱力學(xué)驅(qū)動的綜合作用，用統(tǒng)一的控制方程，不必區(qū)分固液相及其界面，能夠直接模擬微觀組織的形成。
展開 精沖鋼微觀組織對其力學(xué)性能和精沖性能影響的多尺度模擬研究
為了研究精沖鋼不同微觀組織對精密沖裁工藝的適應(yīng)性，分別建立基于材料組織的微觀代表性體積單元（RVE）模型和基于子模型法的RVE——宏觀有限元耦合多尺度模型，研究了球化退火后材料基體中滲碳體顆粒不同直徑、體積分?jǐn)?shù)以及碳化物帶分布特征對拉伸、剪切力學(xué)性能和精沖性能的影響。
精密沖裁工藝是在很小的凸凹模間隙下，利用精沖凸凹模、反頂凸模及V形齒圈的共同作用使沖裁變形區(qū)處于較高的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，材料延遲斷裂的時間顯著延長，進(jìn)而獲得高質(zhì)量沖裁斷面。與傳統(tǒng)板料沖裁方法相比，精沖工藝條件更為嚴(yán)苛，對所用板材的要求也更高。目前，最常用的精沖材料是精沖用低碳鋼板，通常經(jīng)歷熱軋、冷軋、退火處理等工序得到。
代表性體積單元（RVE)常被用于模擬研究具有多相微觀組織的材料性能，如材料的流動應(yīng)力曲線、損傷和斷裂特性等力學(xué)性能。將RVE模型作為子模型，并結(jié)合宏觀有限元模擬得到的某單元位移場變化，構(gòu)建宏觀—微觀模型，可實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜成形工藝關(guān)鍵位置處不同微觀組織變形行為的模擬。
本文通過數(shù)值模擬研究了精沖鋼不同的微觀組織對其力學(xué)性能和精沖性能的影響。首先，針對球化退火后的滲碳體顆粒直徑、體積分?jǐn)?shù)、分布狀態(tài)以及未退火的珠光體組織，分別建立了不同的RVE模型；其次，對不同微觀組織模型施加拉伸、剪切邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬研究；再次，基于子模型法，在精沖試驗(yàn)宏觀有限元模型中提取剪切變形區(qū)中心位置單元的位移歷史作為RVE模型的邊界條件，構(gòu)建宏觀—微觀模型以探究不同微觀組織對精沖性能的影響；最后，通過對比分析模擬所得的子模型單元失效情況與實(shí)際精沖試樣的掃描電鏡（SEM)觀察結(jié)果，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。
精沖鋼的微觀組織
精沖工藝相同時，精沖材料的性能很大程度上決定了精沖質(zhì)量。如前所述，精沖用低碳鋼板因原材料、軋制工藝、退火工藝等的差異，導(dǎo)致材料的微觀組織及性能也會存在差異。
展開 Ansys Workbench | 材料微觀結(jié)構(gòu)：四種 RVE 的均質(zhì)化分析
概述
材料的性能在很大程度上受其微觀結(jié)構(gòu)影響。本文檔使用 Ansys 材料設(shè)計(jì)器展示四種不同類型的微觀結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的宏觀尺度材料性能：隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)、體心立方顆粒結(jié)構(gòu)、金剛石晶格結(jié)構(gòu)和編織結(jié)構(gòu)。
目標(biāo)
理解微觀結(jié)構(gòu)與宏觀尺度材料性能之間的關(guān)系
步驟
案例1：隨機(jī)單向纖維（木材）
1. 打開 Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“材料設(shè)計(jì)器”組件。檢查單位。
2. 定義材料。創(chuàng)建一種纖維材料，楊氏模量為18000MPa，泊松比為0.1；然后創(chuàng)建一種基體材料，楊氏模量為1800MPa，泊松比為0.35。
3. 在材料設(shè)計(jì)器中定義微觀結(jié)構(gòu)。選擇隨機(jī)單向纖維作為代表性體積元（RVE）。設(shè)置纖維體積分?jǐn)?shù)為0.4，纖維直徑為50μm。創(chuàng)建幾何模型（圖1），并使用默認(rèn)設(shè)置生成網(wǎng)格。
4. 創(chuàng)建一個恒定材料，并求解工程常數(shù)。工程常數(shù)匯總?cè)鐖D2所示。可以觀察到，纖維方向上的整體楊氏模量 E1 比 E2 和 E3 大100%以上。這是因?yàn)槔w維的楊氏模量高于基體，從而增強(qiáng)了縱向剛度。這種微觀結(jié)構(gòu)的典型例子是木材和一些復(fù)合材料。
圖1. 隨機(jī)單向纖維的 RVE
圖2. 隨機(jī)單向纖維結(jié)構(gòu)材料的工程常數(shù)
案例2：體心立方結(jié)構(gòu)（金屬）
5. 按照案例1的相同步驟操作。為顆粒定義各向同性材料屬性（E=25000MPa, ν=0.3），并為基體定義各向同性材料屬性（E=18000 MPa, ν=0.3）。
6. 定義體心立方結(jié)構(gòu) RVE（圖3）。顆粒尺寸設(shè)為1nm。生成網(wǎng)格。這種微觀結(jié)構(gòu)是金屬的典型代表。
圖3. 體心立方結(jié)構(gòu)的 RVE
7. 求解工程常數(shù)。工程常數(shù)概覽如圖 4 所示。
展開 
原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)——材料微觀力學(xué)性能
材料微觀力學(xué)性能原位測試儀器具有：微觀、原位、復(fù)合載荷、多物理場耦合四大特點(diǎn)，其中復(fù)合載荷、多物理場耦合特點(diǎn)在傳統(tǒng)宏觀力學(xué)測試儀中有應(yīng)用，微觀、原位是不同于傳統(tǒng)宏觀力學(xué)測試試的特點(diǎn)。微觀測試：宏觀測試 傳統(tǒng)力學(xué)測試，（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）針對的都是宏材尺度試件；微觀測試 微納米級；納米尺度下對試件材料進(jìn)行力學(xué)性能測試；微納米力學(xué)測試相比于傳統(tǒng)的力學(xué)測試在測試精度上有著本質(zhì)的提升，（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）使得人類可以從更為微觀的理解材料的力學(xué)性能與微觀未知世界。原位：對材料進(jìn)行力學(xué)性能測試中，通過掃描電子顯微鏡等儀器對載荷作用下材料變形損傷進(jìn)行全程動態(tài)監(jiān)測的一種力學(xué)測試新技術(shù)。（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）原位測試儀器：在顯微成像設(shè)備的腔體內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)材料拉伸/壓縮力學(xué)性能測試的系統(tǒng)；（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）獲得彈性模量、屈服極限及破壞極限等重要力學(xué)參數(shù)；并結(jié)合顯微成像設(shè)備的圖像記錄功能材料的損傷變形、裂紋產(chǎn)生等力學(xué)行為分析。 （原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）離位測試：試驗(yàn)機(jī)對材料試作進(jìn)行拉伸試樣；由試驗(yàn)機(jī)繪出載荷-伸長曲線，進(jìn)而得到載荷作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線圖；拿經(jīng)過拉伸試驗(yàn)的試件去掃描電鏡進(jìn)行放大觀察分析，（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）電鏡將試件放大到5000倍觀察即是微觀級別，放大到10000倍是納米級別。
納米力學(xué)主要研究納米尺度物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和動力學(xué)問題，有非常廣泛和重要的科研和應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的力學(xué)系統(tǒng)通常由牛頓力學(xué)描述，（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）而納米力學(xué)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)力學(xué)體系無法實(shí)現(xiàn)的功能和動力學(xué)特性，近年來受到了廣泛的關(guān)注。產(chǎn)生超強(qiáng)非線性效應(yīng)和非對稱的振動傳播，（原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)）對未來該領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究起到了重要推動作用。 眾所周知，胡克定律是支配力學(xué)系統(tǒng)的重要規(guī)律，其可以表述為對于微小的形變，力學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng)是線性的。
展開 球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施
很多文獻(xiàn)認(rèn)為球鐵件表面微觀組織球化衰退成片狀石墨或蠕蟲狀石墨主要是由于苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起的，但均沒有明確說明Mg的存在形式，有待于深入研究。本文的目的是對苯磺酸硬化呋喃樹脂砂生產(chǎn)的球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施進(jìn)行研究，并對球墨鑄鐵件表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，給出切實(shí)可行的表面球化衰退的防止措施。
1、試樣方法
選用車間生產(chǎn)橋殼及減速器殼球鐵鑄件用牌號QT450-10，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：3.7%-3.9%C、2.6%-2.9%Si、0.2-0.35%Mn、0.1-0.2%Cu、≤0.06%P、≤0.02%S、0.04%-0.06%Mg、0.025%-0.04%RE。試驗(yàn)合金用中頻感應(yīng)電爐熔煉，出爐溫度為1480-1520℃，澆注溫度為1360-1420℃。
呋喃樹脂砂的粘結(jié)劑用呋喃樹脂，固化劑用對甲苯磺酸，原砂及再生砂采用不同比例。
試驗(yàn)金相試樣切成10mm×10mm×20mm，通過光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、電子探針（EPMA）及透射（TEM）等對試樣表面的顯微組織、成分分布進(jìn)行分析。
車間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)試樣及粘土砂型生產(chǎn)試樣的微觀組織如圖1及圖2。圖1是采用車間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區(qū)背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內(nèi)有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內(nèi)，能譜分析認(rèn)為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
展開 臺式掃描電鏡：微觀尺度形貌觀測和分析利器
例如，在材料科學(xué)中，搭配二次電子探頭和背散射電子探頭，結(jié)合高分辨率成像功能，可以清晰地觀察到材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，搭配適合生物樣本的探頭，利用自動調(diào)節(jié)功能確保成像質(zhì)量，從而更好地觀察生物樣本的微觀特征。
實(shí)驗(yàn)論證：球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及有效防止措施
圖1是采用車間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區(qū)背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內(nèi)有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內(nèi)，能譜分析認(rèn)為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
基于前期的研究，苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。
b.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)特征分析
圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。
圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經(jīng)過標(biāo)定，該第二相粒子為FCC結(jié)構(gòu)，a≈5.18A。對比標(biāo)準(zhǔn)的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數(shù)，并且結(jié)合能譜的結(jié)果，可知第二相為MgS或(Mg，Mn)xSy粒子。
展開 球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征分析及防止措施
圖1是采用車間正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產(chǎn)的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區(qū)背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內(nèi)有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內(nèi)，能譜分析認(rèn)為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
基于前期的研究，苯磺酸受熱氣化進(jìn)入熔融金屬表面消耗表面層內(nèi)殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。
b.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結(jié)構(gòu)特征分析
圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。
圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經(jīng)過標(biāo)定，該第二相粒子為FCC結(jié)構(gòu)，a≈5.18A。對比標(biāo)準(zhǔn)的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數(shù)，并且結(jié)合能譜的結(jié)果，可知第二相為MgS或(Mg，Mn)xSy粒子。
展開 金屬切削過程宏觀和微觀尺度有限元仿真進(jìn)展
在宏觀尺度和微觀尺度上，材料具有不同的去除機(jī)制，這使得過程變量對工件表面質(zhì)量和刀具壽命的影響和過程變量的影響因素有顯著差異。
有限元法被認(rèn)為是一種切削過程中預(yù)測過程變量、揭示微觀物理現(xiàn)象、深入研究切削機(jī)理的有效方法。因此，運(yùn)用有限元仿真對宏觀和微觀尺度切削過程進(jìn)行研究，區(qū)分宏觀和微觀過程變量有限元仿真模型的差異，進(jìn)而提高宏觀和微觀尺度有限元仿真的精度、工件表面質(zhì)量和刀具壽命是必要的。有限元仿真模型的可靠性和有效性很大程度取決于仿真方法、本構(gòu)模型、摩擦模型和損傷模型對網(wǎng)格單元、材料的動態(tài)力學(xué)行為、刀具-切屑-工件接觸過程和切屑的形成機(jī)制描述的準(zhǔn)確性。建立更符合真實(shí)切削情況的有限元仿真模型，可以為優(yōu)化切削過程變量和工藝參數(shù)提供參考。
因此，針對不同材料和加工方式，對宏觀和微觀過程變量和材料去除機(jī)制預(yù)測的有限元仿真進(jìn)展進(jìn)行了綜述，如圖1所示。同時，討論了金屬切削過程有限元仿真的研究和發(fā)展方向，為未來的建模方向提供了指導(dǎo)。
圖1 文章框架
二、主要內(nèi)容
分別從仿真模型的建立、宏觀工藝變量仿真模型、微切削過程仿真模型和有限元仿真的擴(kuò)展等四部分進(jìn)行了綜述，如圖2所示。
圖2 文章的主要框架
1）系統(tǒng)介紹了仿真方法，材料的本構(gòu)模型，摩擦模型，損傷模型及其修正模型的適用條件和預(yù)測精度，為建立符合真實(shí)切削狀態(tài)的有限元模型提供依據(jù)。
a）對比了各種仿真方法對切屑形態(tài)、切削力殘余應(yīng)力等仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。
展開 3D打印黑科技——靠細(xì)菌驅(qū)動的的微觀泵
由于近幾年3D打印技術(shù)的發(fā)展宛如火箭般上升，現(xiàn)如今也已經(jīng)被越發(fā)頻繁的應(yīng)用于微觀世界，而且還給科學(xué)家們的研究提供了極大的便利和幫助。比方說在我國上海交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)借助3D打印技術(shù)，完美攻克了在微觀世界當(dāng)中一個比較典型的挑戰(zhàn)，這個挑戰(zhàn)名為運(yùn)動。憑借一個微觀的3D打印結(jié)構(gòu)中內(nèi)置了一系列細(xì)菌，從而創(chuàng)造了一個很小但具備通用性的微觀泵。
迄今為止，科學(xué)家們已經(jīng)能夠在肉眼可見的宏觀泵的幫助下驅(qū)動粒子運(yùn)動。不過它們都很笨重，在最小化時并不能很好的工作。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在該團(tuán)隊(duì)借助微觀世界的居民——能動菌開發(fā)出了一種功能性的替代裝置。這些細(xì)菌的了不起之處不僅在于其所存在的介質(zhì)，而且它們在運(yùn)動方面比人造的電機(jī)系統(tǒng)更加高效。
從本質(zhì)上說，它們的方式就像古代的馬拉馬車——即借助生物天生的能力實(shí)現(xiàn)我們想要的功能，只不過這一模式在細(xì)菌世界實(shí)現(xiàn)了。這些特定的細(xì)菌能夠在其鞭毛的幫助下推動自己前進(jìn)，這種鞭毛的結(jié)構(gòu)像一根鞭子，可以在流體中通過擺動推動細(xì)菌運(yùn)動。如今張何朋的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到一種方法，能夠?qū)⑺鼈兦度胩囟ǖ奈恢茫鼈兊谋廾珜⒗^續(xù)擺動——從而產(chǎn)生足以驅(qū)動其它材料的力量。
“我們注意到粘在玻璃蓋玻片上的一些細(xì)菌能產(chǎn)生流動，這導(dǎo)致我們產(chǎn)生了使用不同細(xì)菌作為泵的想法。”研究者解釋說。“我們嘗試了不同的方法來組織細(xì)菌并發(fā)現(xiàn)了特別合適的微觀結(jié)構(gòu)。”但是要想創(chuàng)建一個能夠容納這些細(xì)菌的微觀結(jié)構(gòu)卻是一大挑戰(zhàn)，為此研究人員們轉(zhuǎn)向了3D打印解決方案。
展開 
微觀特征輪廓尺寸測量：光學(xué)3D輪廓儀、共焦顯微鏡與臺階儀的應(yīng)用
臺階儀
臺階儀是一款超精密接觸式微觀輪廓測量儀器，主要用于臺階高、膜層厚度、粗糙度等微觀形貌參數(shù)的測量。
臺階儀應(yīng)用場景適應(yīng)性，廣泛用于半導(dǎo)體、太陽能光伏、光學(xué)加工、MEMS器件、微納材料制備等各行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的工業(yè)企業(yè)與高校院所等科研單位，對被測樣品的反射率特性、材料種類及硬度等均無特殊要求。
在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的測量儀器需要綜合考慮樣品的性質(zhì)、測量需求和精度要求。通過合理利用這些先進(jìn)的測量技術(shù)，可以有效提升微觀特征輪廓尺寸測量的準(zhǔn)確性和可靠性，為科研和工業(yè)生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
DLP 3D打印模具鑲件在復(fù)雜微觀特征注塑件制造中的應(yīng)用研究
在注塑生產(chǎn)中，可用于制造帶有微觀特征注塑件的方法有多種，但是其中多數(shù)方法只能夠在平面或曲率恒定的曲面中實(shí)現(xiàn)微觀特征。丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）的一個研究團(tuán)隊(duì)通過DLP 3D打印技術(shù)制造的注塑模具鑲件，則能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜表面上創(chuàng)建微觀特征。
這一技術(shù)在帶有復(fù)雜微觀特征的注塑件制造領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，特別是在復(fù)雜塑料醫(yī)療器械、內(nèi)植物制造領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
在自由曲面上創(chuàng)建微觀特征
丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）發(fā)表了題為 “ A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars”的研究論文。
3D科學(xué)谷了解到，在研究中他們使用了 “軟工具工藝鏈” ，在復(fù)雜表面上創(chuàng)建三維微觀特征。這種工藝其實(shí)是通過DLP 3D打印技術(shù)制造帶有微表面特征的注塑模具鑲件，并用一套3D打印鑲件替代以往使用的鋼模腔。
在研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)用這種帶有3D打印鑲件的模具進(jìn)行了PE 材料的注塑成型。
（a）左邊兩個為DLP 3D打印的鑲件，它們形成模腔，最右邊為注塑成型的PE零件；刻度尺上的單位是毫米，數(shù)字為厘米。 （b）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中的鑲件表面; （c）SEM圖像中的PE零件表面。
研究團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)與金屬增材制造技術(shù)相比能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精度，與基于CNC 加工的傳統(tǒng)模具加工工藝相比，能夠顯著降低加工時間和成本。這種模具適合生產(chǎn)設(shè)計(jì)變化大，并且中等批量的塑料件（1000-10,000次循環(huán)）。此外這種模具可以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)商用注塑板，不需要使用特殊的注塑模板。
展開 【技術(shù)干貨】一文詳解影響碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能的結(jié)構(gòu)因素（二）碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)及壓縮破壞
在本系列專題文章中，將會從微觀結(jié)構(gòu)和宏觀角度系統(tǒng)地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復(fù)合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強(qiáng)度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結(jié)構(gòu)及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復(fù)合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強(qiáng)度的測試方法》
碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)
為了開發(fā)提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結(jié)構(gòu)是很重要的。生產(chǎn)碳纖維最常用的前驅(qū)體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉(zhuǎn)變過程的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律。
碳纖維是通過對PAN纖維進(jìn)行高度可控的連續(xù)熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預(yù)氧化（又叫熱穩(wěn)定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩(wěn)定是在空氣氣氛中進(jìn)行的，通常PAN纖維在不同溫度下經(jīng)受200至300°C的熱處理，并根據(jù)特定前驅(qū)體纖維的加工要求在規(guī)定的時間內(nèi)施加張力。
圖1 碳纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變
在熱穩(wěn)定化過程中，PAN纖維的線性結(jié)構(gòu)通過環(huán)化、脫氫和氧化等化學(xué)反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪徒Y(jié)構(gòu)。在該階段結(jié)束時，PAN纖維獲得足夠的熱穩(wěn)定性，可以承受碳化處理過程中的高溫。
與熱穩(wěn)定化不同，碳化過程必須在惰性氣氛中進(jìn)行，以防止纖維熱解。在低溫碳化過程中，穩(wěn)定的PAN纖維在高達(dá)1000°C的溫度環(huán)境中，在精確的張力和停留時間下進(jìn)行熱處理。隨后，所得纖維在高溫碳化爐約1600°C左右的溫度以及張力下進(jìn)一步碳化，隨著分子間交聯(lián)和雜原子的去除，穩(wěn)定的PAN聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榉枷阕迤矫娼Y(jié)構(gòu)。
展開 COMSOL微觀多孔介質(zhì)二維滲流模擬基于四參數(shù)隨機(jī)生長建模
微觀多孔介質(zhì)流體
微觀多孔介質(zhì)廣泛存在于巖石、土層等流體介質(zhì)之中，這使得流體穿過存在復(fù)雜性，滲流的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀現(xiàn)象，在研究中可采用表征單元體（representative elementary volume，簡稱REV）方法，這就涉及到微觀介質(zhì)的模型重構(gòu)。
這里采用AbyssFish四參數(shù)隨機(jī)生長2D軟件進(jìn)行微觀多孔介質(zhì)的構(gòu)建，V1.1版本軟件通過優(yōu)化改進(jìn)的算法，可指定四參數(shù)隨機(jī)增長的分布概率、生長概率、孔隙率、以及孔隙尺寸特征等參數(shù)，并可進(jìn)行同一參數(shù)不同孔隙率的動態(tài)輸出，方便對比研究。
這里生成尺寸為寬度為2.0，高度為0.5的多孔介質(zhì)模型，并將其導(dǎo)入到COMSOL內(nèi)，多孔介質(zhì)的孔隙率為70%(白色)。COMSOL模型構(gòu)建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型教程
多孔介質(zhì)中的孔隙為單聯(lián)通域，無無效幾何，如果指定的孔隙率過小，軟件生成的孔隙可能非單聯(lián)通，需要將非聯(lián)通的的幾何進(jìn)行手動刪除處理。
物理場采用流體流動中的層流，左側(cè)為流體入口，右側(cè)為出口，以下為流速及壓力計(jì)算結(jié)果。
模型樣圖
建模采用的AbyssFish四參數(shù)隨機(jī)生長2D軟件可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
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