晶格的案例
晶格結(jié)構(gòu)激發(fā)產(chǎn)品重塑
增材制造技術的一大特點對復雜細節(jié)的制造能力，晶格結(jié)構(gòu)就是最典型一種復雜結(jié)構(gòu)。不僅僅起到輕量化的作用，還可以使結(jié)構(gòu)獲得材料最低填充量的同時滿足結(jié)構(gòu)剛性的需求，并且還可以吸收沖擊能量以減緩振動或者達到噪聲絕緣的目的。
晶格結(jié)構(gòu)的超輕型結(jié)構(gòu)適合用在抗沖擊/爆炸系統(tǒng)、或者充當散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，所以說晶格可以是非常有用的，本期3D科學谷通過雷尼紹等幾家公司的一些研究來探討金屬3D打印過程中晶格的應用，從而感受設計和制造晶格的挑戰(zhàn)。
圖片來源：雷尼紹
晶格的微妙畫風
輕量化
晶格是輕量化的一大貢獻，通過消除不必要的材料，同時為剛性要求高的部分提供更堅實的晶格結(jié)構(gòu)，減少材料浪費。在設計輕量化結(jié)構(gòu)零件時，需要結(jié)合整個零件的功能實現(xiàn)，綜合考慮空隙精度、空隙率、空隙形狀、空隙大小、孔分布以及相互之間連通性等因素。
圖片來源：HiETA Technologies
上圖是直升機排氣噴嘴冷卻結(jié)構(gòu)的原型， 是HiETA Technologies設計和制造的，材料為Inconel 625合金。 晶格用在該結(jié)構(gòu)中提供結(jié)構(gòu)剛度和熱傳遞作用。輕量化的設計不僅僅通過減少材料的浪費來降低構(gòu)件的成本，由于較短的構(gòu)建時間，使得加工成本也降低了（考慮到增材制造設備的使用壽命與折舊因素）。
減重效果，圖片來源：雷尼紹
功能晶格
除了減重，晶格結(jié)構(gòu)也可以帶有功能性的作用，包括能量吸收、熱絕緣、熱交換、生物相容這樣的功能。
能量吸收
一個有前途的應用領域是能量的吸收，晶格的兩種動態(tài)屬性，其中一種是壓縮屬性，另一種是晶格結(jié)構(gòu)的彈性屬性。在加載了沖擊之后，彈性和壓縮行為表現(xiàn)出了快速的集體反應。通過對晶格材料的定制化設計，特別是針對應用的具體需要，精確設計制造特殊的晶格材料。
晶格結(jié)構(gòu)的變形特性取決于其幾何特征（拉伸或彎曲為主） 和構(gòu)成材料（特別是其延展性）。
展開 基于增材思維的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫建立及在鞋中底正向設計中的應用
不同的晶格單元有著不同的特性，對晶格單元的特性進行研究并建立相應的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫才能滿足晶格結(jié)構(gòu)的性能要求。
結(jié)合公司在仿真設計和增材制造領域多年的積淀，利用參數(shù)化建模仿真系統(tǒng)設計并建立了多種增材制造晶格單元的性能數(shù)據(jù)庫，方便我們根據(jù)不同的應用場合來挑選合適的晶格單元和相應的晶格單元設計參數(shù)，并且可以根據(jù)不同晶格的性能特點進行優(yōu)化組合，采用多種晶格進行拼接設計。圖5為安世亞太建立的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫晶格種類。
圖5 安世亞太建立的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫晶格種類
以下以用于個性化定制鞋中底設計的壓縮和彎曲力剛度數(shù)據(jù)庫為例介紹所建立的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫的過程。鞋中底在使用過程中主要承受壓縮和彎曲載荷，為了得到晶格單元的壓縮和彎曲剛度數(shù)據(jù)，針對相應的晶格單元進行仿真計算并采用參數(shù)化仿真結(jié)合多元非線性回歸分析的方式建立了壓縮及彎曲狀態(tài)下晶格單元的剛度數(shù)據(jù)庫，其中單一晶格單元的剛度數(shù)據(jù)庫中包含了如下數(shù)據(jù)：
■ 不同尺寸晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及尺寸對晶格單元剛度的影響規(guī)律；
■ 不同填充率晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及填充率對晶格剛度的影響規(guī)律；
■ 不同變形晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及變形對晶格單元剛度的影響規(guī)律；
■ 不同傾斜角度晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及傾斜角度對晶格單元剛度的影響規(guī)律；
■ 不同陣列晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及陣列分布對晶格單元剛度數(shù)據(jù)庫的影響；
■ 不同晶格單元彎曲剛度數(shù)據(jù)及不同陣列晶格的最大彎曲角度數(shù)據(jù)。
圖6 晶格單元壓縮及彎曲仿真過程示意圖
晶格單元性能數(shù)據(jù)庫在鞋中底正向設計中的應用
隨著3D打印技術的不斷發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，具有獨特結(jié)構(gòu)且能夠滿足消費者個性化需求的3D 打印鞋越來越多的受到市場的關注。
展開 MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結(jié)構(gòu)的增材制造
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優(yōu)異性能的復雜晶格結(jié)構(gòu)，但它們的制造仍然受到傳統(tǒng)方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發(fā)展反過來促進了更復雜結(jié)構(gòu)的設計，設計目標也從原來的可制造性轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄浴?從結(jié)構(gòu)設計的角度看，晶格結(jié)構(gòu)是在一定的空間中重復出現(xiàn)的單元胞集合。 因此，在晶格結(jié)構(gòu)的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優(yōu)化，這樣方能得到具有優(yōu)異性能的晶格結(jié)構(gòu)。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
圖2. 粉床熔融技術制備的桿基金屬晶格結(jié)構(gòu)及其單元胞原型：(a) 立方體結(jié)構(gòu)，(b) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)，(c) 菱形十二面體結(jié)構(gòu)。
總的來說，金屬晶格結(jié)構(gòu)的性能主要由單元胞的構(gòu)型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結(jié)構(gòu)可以在不同的工業(yè)領域發(fā)揮作用。例如，具有較低的彈性模量金屬晶格結(jié)構(gòu)，可適用于生物醫(yī)用骨科植入物；具有較高的剛性和能量吸收能力的金屬晶格結(jié)構(gòu)，可適用于輕量化結(jié)構(gòu)設計及能量吸收器；具有較高的比表面積的金屬晶格結(jié)構(gòu)，可適用于催化結(jié)構(gòu)的載體。以及還有其他工業(yè)領域的應用。
圖3. 輕量化金屬晶格結(jié)構(gòu)實際案例：(a)-(c) 不銹鋼米歇爾梁，(d) 不銹鋼汽車控制臂，(e) 鈦合金枕形支架，(f)-(h) 用金屬晶格結(jié)構(gòu)填充的衛(wèi)星支架。
然而，增材制造技術也不是萬能的，在制備金屬晶格結(jié)構(gòu)方面仍然存在一些限制和挑戰(zhàn)。
展開 基于增材思維的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫建立及在鞋中底正向設計中的應用
結(jié)合公司在仿真設計和增材制造領域多年的積淀，利用參數(shù)化建模仿真系統(tǒng)設計并建立了多種增材制造晶格單元的性能數(shù)據(jù)庫，方便我們根據(jù)不同的應用場合來挑選合適的晶格單元和相應的晶格單元設計參數(shù)，并且可以根據(jù)不同晶格的性能特點進行優(yōu)化組合，采用多種晶格進行拼接設計。圖2-1為安世亞太建立的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫晶格種類。
圖3-1 安世亞太建立的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫晶格種類
以下以用于個性化定制鞋中底設計的壓縮和彎曲力剛度數(shù)據(jù)庫為例介紹所建立的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫的過程。鞋中底在使用過程中主要承受壓縮和彎曲載荷，為了得到晶格單元的壓縮和彎曲剛度數(shù)據(jù)，針對相應的晶格單元進行仿真計算并采用參數(shù)化仿真結(jié)合多元非線性回歸分析的方式建立了壓縮及彎曲狀態(tài)下晶格單元的剛度數(shù)據(jù)庫，其中單一晶格單元的剛度數(shù)據(jù)庫中包含了如下數(shù)據(jù)：
（1）不同尺寸晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及尺寸對晶格單元剛度的影響規(guī)律；
（2）不同填充率晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及填充率對晶格剛度的影響規(guī)律；
（3）不同變形晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及變形對晶格單元剛度的影響規(guī)律；
（4）不同傾斜角度晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及傾斜角度對晶格單元剛度的影響規(guī)律；
（5）不同陣列晶格單元的壓縮剛度數(shù)據(jù)及陣列分布對晶格單元剛度數(shù)據(jù)庫的影響；
（6）不同晶格單元彎曲剛度數(shù)據(jù)及不同陣列晶格的最大彎曲角度數(shù)據(jù)。
圖3-2 晶格單元壓縮及彎曲仿真過程示意圖
四、晶格單元性能數(shù)據(jù)庫在鞋中底正向設計中的應用
隨著3D打印技術的不斷發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，具有獨特結(jié)構(gòu)且能夠滿足消費者個性化需求的3D 打印鞋越來越多的受到市場的關注。
展開 
3D打印復雜彈性晶格結(jié)構(gòu)
導讀：南極熊獲悉，總部位于德國的3D打印服務提供商Rapid Product Manufacturing (RPM) 于2021年6月15日宣布已獲得研究資助，開發(fā)復雜的彈性晶格結(jié)構(gòu)，本次資金由德國AiF資助。使用Carbon樹脂數(shù)字光合成 (DLS) 3D 打印技術和EPU41/EPU40材料，RPM計劃在明年與工業(yè)和消費品領域合作伙伴一起為這些晶格結(jié)構(gòu)開發(fā)多種應用。項目還將得到不倫瑞克技術大學微技術研究所的支持。
△RPM的3D打印晶格結(jié)構(gòu)。照片通過 RPM。
3D打印新應用
RPM于2018年采用DLS技術，使公司成為歐洲首批提供Cabon 3D技術的服務機構(gòu)之一。RPM認為打印速度和高分辨率能力是滿足客戶需求的主要因素。在2020年，相比于DLS原型，RPM生產(chǎn)了更多應用系列組件，標志著技術使用的轉(zhuǎn)變。RPM計劃在未來幾年里專注于建立3D打印晶格材料、設計規(guī)則和應用知識庫，并在這一領域成為制造領導者。此外，RPM還將利用Carbon推出的自動晶格生成工具Design Engine繼續(xù)對3D打印晶格結(jié)構(gòu)的探索。
△Carbon Design Engine?可以快速生成晶格。格子零件需要更少的材料和時間來打印。
RPM的銷售醫(yī)學博士Claus Thomy博士說：“這筆贈款側(cè)重于DLS，因為Carbon將批量生產(chǎn)置于開發(fā)最前沿。機器工藝的材料選擇和可靠性使我們能夠以具有競爭力的成本點覆蓋各種新的業(yè)務。更重要的是，由于材料經(jīng)過標準化和驗證，第二次、第三次和第二十次的打印方式也完全相同。”他還補充道：“當rpm使用僅在增材制造中可用的晶格結(jié)構(gòu)提高零件產(chǎn)品性能時，我們正在建立真正卓越的產(chǎn)品解決方案。”
展開 利用lammps軟件計算硅的平衡晶格常數(shù)和體彈模量
晶胞的大小一般是由晶格常數(shù)衡量的，它是表征晶體結(jié)構(gòu)的一個重要基本參數(shù)。
在本次模擬實驗中，給定Si集中典型立方晶體結(jié)構(gòu)：fcc，bcc，sc，dc。根據(jù)
可判定dc結(jié)構(gòu)是否能量最低，即是否最穩(wěn)定
材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系（即符合胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。彈性模量是描述物質(zhì)彈性的一個物理量，是一個總稱，包括楊氏模量、剪切模量、體積模量等。在彈性變形范圍內(nèi),物體的體應力與相應體應變之比的絕對值稱為體彈模量。表達式為
式中，P為體應力或物體受到的各向均勻的壓強，為體積的相對變化。對于立方晶胞，總能量可以表示為，E為單個原子的結(jié)合能，M為單位晶胞內(nèi)的原子數(shù)。晶胞體積可以表示為，那么壓強P為
故體積模量可以表示為
根據(jù)實驗第一部分算出的平衡晶格常數(shù)，以及能量與晶格間距的函數(shù)關系，可以求得對應晶格類型的體積模量。并與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行對比。
實驗過程
（1）平衡晶格常數(shù)
將share文件夾中關于第一次實驗的文件夾拷貝到本地，其中包含勢函數(shù)文件和input文件。
$ cp -r share/md_1 .
$ cd md_1
$ cd 1_lattice
通過LAMMPS執(zhí)行in.diamond文件，得到輸出文件，包括體系能量和cfg文件，log文件。
$ lmp -i in.diamond
用gnuplot畫圖軟件利用輸出數(shù)據(jù)作圖，得到晶格長度與體系能量的關系，能量最低處對應的晶格長度即是晶格常數(shù)。
Si為diamond晶格結(jié)構(gòu)時晶格長度與體系能量關系圖如圖，
由圖可得能量最小處對應取。
Si為fcc晶格結(jié)構(gòu)時晶格長度與體系能量關系圖如圖，
。
改寫后的sc、bcc腳本文件分別如圖所示
Si為sc晶格結(jié)構(gòu)時晶格長度與體系能量關系圖如圖，
。
展開 3D打印晶格結(jié)構(gòu)提升作戰(zhàn)頭盔能量吸收，General Lattice與美國陸軍簽訂合同
導讀：晶格結(jié)構(gòu)具有重復、多孔等特性，能夠吸收振動能量，實現(xiàn)抗沖擊的特性。因此，備受運動以及軍用裝備的青睞。
△General Lattice頭盔晶格
南極熊獲悉，數(shù)字制造軟件公司General Lattice, Inc.正在開發(fā)預測建模工具包，根據(jù)真實數(shù)據(jù)設計和生成晶格材料，用于改進美國陸軍作戰(zhàn)頭盔的沖擊吸收技術。為此，General Lattice已于2021年9月21日宣布與美國陸軍簽訂合同，進行為期一年的研發(fā)項目。據(jù)悉，項目目前正在伊利諾伊州芝加哥的General Lattice工廠進行。作為項目的一部分，General Lattice將與軍事和聯(lián)邦服務提供商All Points Logistics LLC和快速制造公司GoProto, Inc.合作。
晶格材料改造傳統(tǒng)設計
傳統(tǒng)泡沫材料的功能幾乎已經(jīng)達到了可開發(fā)的盡頭，晶格材料成為了普遍公認的替代性、創(chuàng)新性材料。隨著3D打印晶格結(jié)構(gòu)技術和材料的不斷改進，這類結(jié)構(gòu)對于吸收沖擊能量的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，并逐漸被制造商認可并廣泛應用，尤其是用于改善健康和安全。
△General Lattice的3D打印晶格結(jié)構(gòu)。照片來自General Lattice
許多公司都在積極設計和驗證3D打印晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，尤其是鞋類產(chǎn)品。阿迪達斯和Carbon聯(lián)合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋利用領結(jié)形FWDCELL格子中底將緩沖性能提高了23%，在垂直負載下的前向運動增加了三倍，同時將峰值制動力降低了15%。
展開 Abaqus和nTopology的晶格分析和設計
Abaqus和nTopology Element的晶格設計
目前，晶格結(jié)構(gòu)設計仍是一個漫長而艱難的過程。傳統(tǒng)的設計工具缺乏足夠的靈活性，并且傳統(tǒng)分析和優(yōu)化方法難以很好地集成到工程工作流中，但隨著Abaqus和nTopology的聯(lián)合，晶格設計、分析與優(yōu)化已成為無縫銜接的重復流程。[增材]運動鞋底的晶格優(yōu)化設計、[增材]Abaqus在晶格點陣結(jié)構(gòu)設計上的應用
拓撲結(jié)構(gòu)
晶格設計始于拓撲結(jié)構(gòu)—節(jié)點與梁在結(jié)構(gòu)中的位置和連接。拓撲設計決定了設計的載荷路徑和結(jié)構(gòu)剛度，晶格拓撲可由周期性/重復性以及非周期性/隨機性等多種方法生成。
無論拓撲生成方法如何，首先應制定其設計空間，通過Abaqus對實體進行分析，可設計有效且高效的拓撲晶格結(jié)構(gòu)（見圖1）。
圖1
基于Abaqus分析結(jié)果，使用nTopology Element軟件設計拓撲晶格結(jié)構(gòu)。隨機拓撲結(jié)構(gòu)將根據(jù)Abaqus場輸出改變梁密度，而周期拓撲結(jié)構(gòu)在零件的不同區(qū)域使用不同的晶格單元。圖2是使用可變的周期拓撲（均基于六角棱鏡單元）來創(chuàng)建具有不同屬性區(qū)域。
圖2
一旦具有拓撲結(jié)構(gòu)，就可重新分析該零件以了解其結(jié)構(gòu)性能。可使用nTopology Element導出Abaqus輸入文件，其采用可用于3D打印的默認梁厚度。最后，對零件進行簡化梁（Beam）分析，見圖3。
圖3
如果需要，可以使用上述分析結(jié)果來修改拓撲設計，或利用Tosca軟件以優(yōu)化梁單元的尺寸。在打印過程中，可將梁尺寸控制在可打印范圍內(nèi)，保證足夠厚以便成功打印并且足夠薄而不需要支撐結(jié)構(gòu)。即使有成千上萬的梁單元，優(yōu)化過程也運行得很快。通過使用Tosca軟件時間驗證的優(yōu)化方法其結(jié)果是有效和可靠的（見圖4）。
展開 晶格結(jié)構(gòu)3D打印背包腰部支撐，實現(xiàn)無汗徒步旅行
△裕克施樂3D打印的背包腰帶和背墊
裕克施樂采用3D打印晶格結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)用于背包腰帶和背墊的泡沫。這種結(jié)構(gòu)具有完全集成的緩沖系統(tǒng)，可提供極大的舒適感：智能晶格幾何形狀通過精確校準支柱厚度和晶格元件整體尺寸的變化，使其緩沖性能可以靈活調(diào)節(jié)。
同時，這種高度創(chuàng)新的晶格設計顯著降低了與人體的最大接觸壓力和平均接觸壓力；3D 打印的背墊和臀鰭的開孔結(jié)構(gòu)可最大限度地增加通風并減少熱量積聚，從而顯著降低在身體接觸點的溫度和濕度積聚。
因此，裕克施樂團隊通過對晶格結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域進行設計并提供不同程度的彈性和硬度，能最大限度地提高背墊的緩沖性能和佩戴者的舒適度。
△裕克施樂制造的具有晶格結(jié)構(gòu)的臀鰭和背墊設計
通過采用Forward AM 的Ultrasint? TPU01材料實現(xiàn)彈性晶格設計，這種高性能聚合物粉末使 3D 打印晶格結(jié)構(gòu)變得簡單、快速且極具成本效益。
△臀鰭特寫
對制造商而言，背墊和臀鰭可以作為一個單一的晶格元件生產(chǎn)——這意味著組裝步驟、時間和成本的巨大減少，因為不需要膠合或縫合。此外，這款配件還能實現(xiàn)最大程度上促使空氣流通，顯著降低徒步旅行者背部接觸區(qū)域的溫度和相對濕度積累，降低最大接觸壓力和平均接觸壓力，可調(diào)節(jié)減震特性，以及3D打印材料100%可回收。
總的來講，3D打印晶格結(jié)構(gòu)在背包當中的應用探索已經(jīng)展開，南極熊期待這樣的應用能夠盡快在市場中見到，為用戶提供更好的選擇。
展開 3D打印晶格結(jié)構(gòu)的功能力學性能研究
《Fast Radius》最近發(fā)表一篇題為《使用連續(xù)液體界面生產(chǎn)增材制造制造的六邊形晶格結(jié)構(gòu)的力學特性》的論文，對具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的3D打印部件的特殊力學特性進行了研究和詳細記錄。
該研究是伊利諾伊大學的一個聯(lián)合項目，William King博士和共同作者David McGregor和Sameh Tawfick教授用三種不同的材料和四種幾何形狀打印了84個零件。然后他們光學掃描每個零件，然后對它們進行工程應力測試。結(jié)果表明，晶格結(jié)構(gòu)，也稱為架構(gòu)材料或機械超材料，可以用具有可預測性質(zhì)的3D打印可靠地制造。可以說零件盡管堅固，但也很容易生產(chǎn)。此外，他們證明了他們可以通過調(diào)整晶格設計來增加模量和剛度。
“生產(chǎn)晶格結(jié)構(gòu)的能力是增材制造最激動人心的機會之一，”Fast Radius首席執(zhí)行官Lou Rassey說。“Fast Radius認為，在消費產(chǎn)品，工業(yè)設備，汽車和航空航天領域，我們的客戶對增材制造的晶格元件有著巨大的需求。通過這項研究，我們很高興公開展示了許多客戶已經(jīng)知道的內(nèi)容，即增材制造能夠以可重復的規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量的晶格元件。”
正如我們最近所討論的，晶格結(jié)構(gòu)和工程內(nèi)部填充可以減少材料使用而不犧牲結(jié)構(gòu)完整性和強度。有許多行業(yè)可以將晶格結(jié)構(gòu)融入他們的設計中，包括航空航天、醫(yī)療、體育用品和建筑。
“工程師和產(chǎn)品設計師很高興在新產(chǎn)品設計中使用晶格元件，但缺乏對生產(chǎn)準備的理解一直是一個主要障礙，”伊利諾伊大學機械科學與工程教授兼Fast Radius首席科學家金博士說，“我們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)設計和工程原理，在不同材料和幾何形狀的大量晶格部件上，打印部件的精度非常出色，力學性能接近人們的預期。我們很高興地證明這項技術正在成長，現(xiàn)在值得投入生產(chǎn)。”
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(yè)有限元軟件ABAQUS完成的建模，晶體塑性本構(gòu)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(jié)構(gòu)(FCC)、體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)和密排六方結(jié)構(gòu)(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(tǒng)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(shù)據(jù)有助于從根本上理解晶粒尺度下金屬變形的性質(zhì)。
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(chuàng)建，從完全新手的角度出發(fā)，一步步講解如何建模，賦予材料和處理仿真結(jié)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 
.: 二維平面量子阱超晶格的位錯驅(qū)動生長
最近科研人員已經(jīng)獲得高質(zhì)量的二維多重異質(zhì)結(jié)及超晶格等功能化結(jié)構(gòu)，然而受限于目前的微納加工和生長技術，所制備的圖案化人工超結(jié)構(gòu)尺度仍然較大，構(gòu)筑寬度小于5納米的具有顯著量子特性的功能化二維超晶格結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，中國科學院大學物理科學學院及中國科學院拓撲量子計算卓越創(chuàng)新中心的周武研究員、張余洋副教授等與多個課題組合作，利用了2D平面?zhèn)认虍愘|(zhì)結(jié)中兩種半導體材料之間的界面失配位錯驅(qū)動二維量子阱的生長，構(gòu)筑了半導體單層內(nèi)高質(zhì)量的寬度小于2納米的量子阱以及量子阱超晶格。同時結(jié)合原子分辨的電鏡結(jié)構(gòu)表征和理論計算，揭示了此類新型二維量子阱超晶格的生長機制。該研究為制備高質(zhì)量二維超晶格結(jié)構(gòu)提供了新的思路。該研究發(fā)表于Science Advances，題為“Dislocation-driven growth of two-dimensional lateral quantum-well superlattices”。
【圖文導讀】
圖1. 嵌入單層WSe2晶格內(nèi)的WS2量子阱結(jié)構(gòu)和應變分析
（A）寬度為1.2nm的WS2量子阱的原子分辨率STEM-ADF圖像。黃色虛線突出顯示了WS2量子阱和WSe2晶格之間的共格界面。 六邊形強調(diào)格子的方向。
（B和C）與（A）中同區(qū)域的能譜成像分析分別顯示了WS2和WSe2的空間分布。
（D和E）為WS2量子阱的高分辨率STEM-ADF圖像以及相應的原子結(jié)構(gòu)模型。
（F到H）整個65 nm長的WS2量子阱的STEM-ADF以及量子阱周圍相應的應變分布。
（I和J）為STEM-ADF圖像，顯示了（F）中WS2量子阱頂端的位錯核的原子排列和相應的原子模型。
圖2.
展開 基于Material Studio軟件使用第一性原理預測AlAs的晶格參數(shù)
在3D視圖內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)是常規(guī)的晶胞，表明了晶格的立方對稱性。CASTEP 使用晶格可能存在的完全對稱性。可以使用原始晶格來計算，與包含8個原子的傳統(tǒng)晶格不同，原始晶格中每個晶胞包含兩個原子。這樣，電荷密度、鍵長和每個原子的總能量將是相同的，而不管這個晶胞是如何定義的。由于在原胞中使用了更少的原子，將縮短計算時間。
注意：唯一需要注意的是在磁性系統(tǒng)上執(zhí)行自旋極化計算的情形，這時電荷密度自旋波的周期是原始晶胞的幾倍。
從菜單欄選擇Build | Symmetry | Primitive Cell。
3D視圖顯示primitive cell。
圖5－3 AlAs的原胞
2. 設置并運行CASTEP 計算
從工具欄中選擇CASTEP工具，然后選擇Calculation，或者從菜單欄中選擇Modules | CASTEP | Calculation。
顯示CASTEP Calculation對話框，如圖5－4。
現(xiàn)在需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何形狀。
將Task改為Geometry Optimization，將Quality改為Fine。
默認的優(yōu)化設置是只對原子坐標進行優(yōu)化。然而，本例中，在對原子坐標進行優(yōu)化的同時也要對晶格進行優(yōu)化。優(yōu)
點擊與Task 相關聯(lián)的More…按鈕，勾選上Optimize Cell，關閉對話框。
當改變計算精度時，其他參數(shù)也會作相應的變化。
選擇Properties選項卡。
在Properties 選項卡上，可以指定需要計算哪些性質(zhì)。
選中Band structure和Density of states。
也可以指定job控制選項，例如實時更新。
圖5－4 CASTEP Calculation對話框
選擇Job Control選項卡，點擊More…按鈕。
展開 多向晶格+3D打印：全新人造超材料輕便又堅固
近期英國帝國理工學院團隊發(fā)表了一項材料學最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強度增加但質(zhì)量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結(jié)合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據(jù)強金屬合金的基本原理設計的。
注：網(wǎng)絡配圖
晶格結(jié)構(gòu)由重復節(jié)點和連接支柱組成，結(jié)合3D打印技術，制造出來的材料既輕便又堅固。然而，一旦這些材料失效，會帶來災難性后果，這限制了它們的實際應用。而失效的原因在于這些材料的結(jié)構(gòu)——晶格整體取向單一。
同樣的現(xiàn)象也存在于金屬單晶中，其結(jié)構(gòu)類似，內(nèi)部會沿特定平面發(fā)生滑移而變形。不過，在包含不同取向晶粒的多晶材料中，晶粒邊界有助于阻止正在成形的滑移和裂縫進一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網(wǎng)絡配圖
此次，帝國理工學院科學家模擬多晶材料，設計了具有粒狀結(jié)構(gòu)的新型晶格狀超材料，使內(nèi)部晶格的不同區(qū)域具有不同的取向。
研究人員發(fā)現(xiàn)，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發(fā)生形變時，比傳統(tǒng)超材料更堅固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強度可以通過縮小每個粒狀晶格區(qū)域的尺寸來增強。
研究團隊創(chuàng)造了在施壓后能夠扭變成不同構(gòu)型的特殊“變斑晶”，模仿的是晶體材料中類似的重排。綜合而言，這些成果將會為科學界帶來更加堅固且適合于各種應用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學家對物質(zhì)基礎性狀的理解程度有關，還與新理論及相關驗證的效率有關，甚至與生產(chǎn)工藝、模擬工具的創(chuàng)新能力都息息相關。掌握其中的奧秘，學會調(diào)整某些參數(shù)，創(chuàng)造出符合生產(chǎn)、生活需求的全新材料，這就是化學家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日報
展開 ：準二維Fe3Sn2 Kagome晶格的新奇電子特性
【 引言】
在電子能帶理論中，固體的能帶結(jié)構(gòu)是通過求解晶格周期電位中電子的單電子薛定諤方程確定。通過適當設計晶格結(jié)構(gòu)可以獲得各種非凡的能帶結(jié)構(gòu)。一個廣受關注的例子是通過構(gòu)造蜂巢晶格可以實現(xiàn)具有線性色散關系的狄拉克能帶。而與狄拉克能帶形成鮮明對照的是平帶。狄拉克能帶中電子沒有質(zhì)量，而平帶中的電子具有很重的質(zhì)量。理論預言平帶可能導致各種激動人心的物理效應，包括鐵磁性、高溫分數(shù)量子霍爾效應、Wigner晶體、玻色-愛因斯坦凝聚、以及高溫超導等。原則上平帶可以通過構(gòu)造一些特殊晶格使電子布洛赫波局域相消干涉來實現(xiàn)。然而迄今為止，對實際材料平帶的實驗驗證及平帶物理效應的展示仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。在本文中，作者獲得了真實的分層2D kagome Fe3Sn2中平帶和鐵磁性。
【 成果簡介】
近日，曾長淦教授研究團隊與韓國漢陽大學的中心訪問學者Jun-Hyung Cho教授、國家同步輻射實驗室孫喆教授等合作，結(jié)合掃描隧道顯微術、角分辨光電子能譜、第一性原理計算等手段，證實準二維kagome化合物Fe3Sn2確實存在平帶電子結(jié)構(gòu)。通過理論計算和模型證實，影響帶平坦度的主要原因是kagome晶格內(nèi)Bloch波函數(shù)的局部破壞性。在kagome晶格中的六邊形單元的獨特網(wǎng)格中，分子內(nèi)交換相互作用形成的局部自旋矩的鐵磁耦合。這項研究為探索晶格驅(qū)動的長程鐵磁序提供了新思路。相關成果以“Flatbands and Emergent Ferromagnetic Ordering in Fe3Sn2Kagome Lattices”為題發(fā)表在Physical Review Letters上，并被刊物編輯部評選為Editors’Suggestion。
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