取向的案例
基于晶體塑性有限元方法模擬不同取向單晶鋁簡單拉伸過程中的響應情況和取向演化情況------案例二十四
案例說明
1，建立柱狀單晶鋁模型（直徑10um，高度25um）如下：
2，賦予單晶鋁對應的的單晶材料材料參數，（本案例主要考慮在立方金屬軋板中常見的典型取向）見下表（研究選取了前七種情況+taylor取向）
典型取向
3，進行網格劃分，采用C3D8R單元，共包含網格為5004個單元,網格模型如下：
4，X0面所有自由度均為0，X1面施加X正方向20%工程應變的拉伸位移邊界條件
5，后處理與結果展示（默認圖片中單晶取向與表順序相同）
不同取向單晶拉伸的應力分布云圖
不同取向單晶的累計塑性應變分布云圖
不同取向單晶拉伸過程中應力應變響應
同取向單晶拉伸過程中取向演化（紅色為初始取向，藍色為變形后的取向）
立方取向單晶織構演化
旋轉立方取向單晶織構演化
銅型取向單晶織構演化
黃銅取向單晶織構演化
戈斯取向單晶織構演化
S取向單晶織構演化
R取向單晶織構演化
Taylor取向單晶織構演化
展開 電機用電工鋼取向硅鋼片和無取向硅鋼片的區別
冷軋取向薄硅鋼帶是將0.30或0.35mm厚的取向硅鋼帶，再經酸洗、冷軋和退火制成。
與冷軋無取向硅鋼相比，取向硅鋼要比無取向硅鋼鐵損低很多，磁性具有強烈的方向性；在易磁化的軋制方向上具有優越的高磁導率與低損耗特性。取向鋼帶在軋制方向的鐵損僅為橫向的1/3，磁導率之比為6：1，其鐵損約為熱軋帶的1/2，磁導率為后者的2.5倍。
3
晶粒的結構不同
取向硅鋼晶粒是有序排列，無取向硅鋼的晶粒是無序排列。無取向硅鋼主要用在電機、壓縮機、大型水輪發電機組等設備的定子和轉子。取向硅鋼一般用在變壓器鐵芯、部分電機。
發電機和變壓器對硅鋼片的要求是一樣的：都是要求鐵損低，磁化特性好，疊片系數高等，但變壓器一般用有取向硅鋼片。發電機用無取向硅鋼片。
展開 柔性再生碳纖維濕法取向仿真模擬及其復合材料性能研究
3.4 纖維取向排布
為了進一步探究纖維取向度的變化，對纖維懸浮液從漸縮流場流出時纖維在濾網上的取向行為進行仿真模擬。為了模擬實驗中用來鋪層纖維懸浮液的濾網，在仿真模型中漸縮針筒的下方放置一塊沿直線運動的平板，如圖 11 所示。平板的運動速度為實驗中三軸移動平臺中 x 軸的速度，漸縮針嘴距離平板的高度為實驗中針嘴距離濾網的垂直距離。平板沿著 x 軸方向運動時，纖維跟隨流體從針嘴落下，并鋪層在平板上。
從仿真結果可以看出，隨著平板的運動，纖維從漸縮針嘴流出后沿著平板運動的方向均勻排列在平板上，有良好的取向效果。模擬結果表明，柔性纖維在漸縮流場中運動時，在剪切力作用下會發生偏轉，使得纖維在流場中沿著流體流動方向獲得定向排布。當懸浮液流出流場時，纖維會沿著移動方向在平板上完成取向。
4 實驗
4.1 纖維氈取向度的表征
為了驗證仿真模型的合理性，制備了取向碳纖維，參照李森等人[18]關于纖維取向度的計算方法對纖維氈的取向度進行表征。纖維氈中纖維的取向狀態通常使用概率分布函數的矩陣(方向張量)來描述[19]。該張量的分量可用來繪制纖維的取向橢圓，其中橢圓的長軸方向表示纖維整體取向，長軸大小表示纖維整體取向程度。橢圓越狹長表示纖維整體的取向程度越高 [20] ；纖維取向度 (Preferentialalignment degree, PAD)反應了纖維取向的優劣程度，PAD 越小，纖維取向程度越差；反之纖維取向程度越好[21]。
采用濕法取向技術制備短切碳纖維取向氈，并和未取向纖維氈進行對比。其中，未取向纖維氈的制備方法如下：將制備完成的纖維懸浮液傾倒在濾網上，用薄板將纖維液涂抹均勻，抽濾掉其中的分散劑和水分后得到未取向纖維氈。分別剪取制備的未取向纖維氈和取向纖維氈試樣，觀察其取向效果。
展開 快速了解高分子取向性
塑料分子取向性是受外力的作用，高分子鏈被拉直拉長，同時球晶體也被拉長。分子取向是在外力作用下的一種形變，分子的形變能提高其拉伸強度和沖擊強度。
但在取向垂直方向上其拉伸強度有所下降，沖擊強度也有所降低，所以說分子取向有方向性。塑料加工在高彈態時易控制分子取向性，在粘流態時不可控制分子取向性。
擠出成型是塑料在高彈態下加工，可控制拉伸倍數、牽引力和速度，如塑料絲、膜、管、片和板等制品。
注射成型是塑料在粘流態下加工，分子取向無序，受力的大小不同，凍結速度不一樣，造成制品各處的內應力大小不同，發生變形翹曲。所以注射成型加工不希望有較大的凍結分子取向性。
1. 分子取向性與溫度關系：
注塑成型分子取向是在溫度和壓力作用下的凍結取向。當模具打開時，模具內的型腔壓力全部消失，但制品一般不可能冷卻到常溫，等制品在模外冷卻到常溫這段時間，制品中的分子產生解取向，取向程度就下降。
所以分子取向性與溫度變化有關，當塑料熔體溫度提高，模具溫度升高，制品壁厚增厚，冷卻時間縮短，分子取向性下降，反之增大。在注射成型過程中分子有在等溫下流動取向和非等溫下流動取向。
在等溫下分子流動取向的力和量是一樣的，但在非等溫分子流動取向力和量均不一致，易引起內應力的不一致，造成制品變形等質量問題。
2. 分子取向與壓力速度關系：
塑料分子取向因受力的形式和作用性質不同，可分為剪切應力分子取向，即流動取向和受牽引作用的拉伸取向。流動分子取向有單軸或雙軸取向，并沿著流動方向有序排列。分子取向是與作用力成正比。
注塑成型分子取向性是將熔融塑料在注射壓力的作用下，射入模具型腔，并在注射和保壓壓力的繼續作用下凍結，分子取向性大小與凍結時的壓力成正比。
3.
展開 
塑料在流動時的取向機理
聚合物在加工過程中，在力的作用下，流動的大分子鏈段一定會取向，取向的性質和程度根據取向條件有很大的區別。按熔體中大分子受力的形式作用的性質可分為剪切應力作用下的“流動取向”和受拉伸作用下的“拉伸取向”。
按取向結構單元的取向方向，可分單軸和雙軸或平面取向。按熔體溫度的穩定性可分等溫和非等溫流動取向。也可分結晶和非結晶取向。
聚合物熔體在模腔中的流動是注塑的主要流動過程，熔體在型腔中取向過程，將直接影響制品的質量。
欲理解注塑制品在型腔中成型的機理需了解無定型聚合物的取向機理。充模時，無定型聚合物熔體是沿型壁流動，熔體流入型腔首先同模壁接觸來不及取向的凍結層外殼。而新料沿著不斷增長地凝固層內壁向前流動。推動波前峰向前移動。
靠近凝固層的分子鏈，一端被固定凝固層上，而另一端被鄰層的分子鏈沿著流動方向而取向。由于靠近凝固層助力最大，速度最?。欢行耐饬鲃又ψ钚?，速度最大，這樣在垂直于流動方向上形成速度梯度；凝固層處的速度梯度最大，中心處的速度梯度最小，因此靠近凝固層的熔體流受剪切作用最強，取向程度最大，而在靠近中心層剪切作用最小，取向也最小，形成小取向層區。
展開 雙折射取向層對方位角錨定能的測量影響
在取向層的雙折射可以忽略不計的情況下，偏振面旋轉的角度γ等于液晶盒內的實際扭曲角φ，那么我們可以簡單地假設公式1:
(1)
最后應用扭矩平衡條件，根據公式2計算出方位角錨定能量常數Aφ, 這里 2Δφ=φ0-φ, K22 – 彈性常數, d – 液晶盒厚:
(2)
雙折射取向層：理論
可是對于光配向材料的情況下, 特別是在偏振光照射下發生分子定向的偶氮染料 [2,3], 取向層的光致雙折射是很重要的，它對于光在LC盒中傳播時的偏振平面旋轉角度也有貢獻。
所以取向層的雙折射需要被考慮在內。
考慮光在具有雙折射取向層的扭曲向列型液晶盒中傳播的光學路徑(Fig.1). 實際的扭曲角φ與偏振平面旋轉角度γ不同，γ也受取向層的延遲δ1=πΔn1d1/λ所影響
Figure 1. 光在帶有雙折射取向層的扭曲LC盒中的傳播示意圖
我們得到了偏振平面旋轉角度對取向層雙折射的依賴性的解析解, 公式 3, 其中 δ=πΔnd/λ Δn– 液晶層的雙折射.
(3)
根據公式3，取向層的折射各向異性的存在導致通過扭曲液晶盒的透射光的偏振平面的旋轉角度增加。(Fig.2). 如果按照公式1給出的標準程序，預計方位角錨定能量的測量會有誤差. 事實上，取向層的延遲有助于光學扭轉效應，緩解了對高方位角錨定能量值的要求，并且需要在方位角錨定能量測量的光學方法中加以考慮。.
Figure 2. 偏振平面旋轉角度對取向層遲滯的預期依賴性
雙折射取向層：實驗
同時測量光配向材料的方位錨定能量對曝光劑量或取向層厚度的依賴性 需控制取向層的遲滯值.
展開 晶體塑性有限元仿真入門(5)—歐拉角與晶體取向
取向矩陣的表達式是是通過組合三個旋轉得到的，滿足：
g(?1,Φ,?2) = g(?1)*g(Φ)*g(?2)
那么：
由于取向矩陣的性質，滿足：
假設在全局坐標系S下，局部坐標系s1的取向矩陣為g1，局部坐標系s2的取向矩陣為g2，那么，在局部坐標系s1下的坐標系s2的取向矩陣可以看作：在局部坐標系s1下首先反方向旋轉一組得到全局坐標系S，取向矩陣為g2為，然后在得到全局坐標系S情況下繼續旋轉取向矩陣g2，得到局部坐標系s2，即：
例如，全局坐標系S下，歐拉角為[90,35,45]的局部坐標系s1的取向矩陣g1為：
全局坐標系S下，歐拉角為[142.8,32.0,214.4]的局部坐標系s2的取向矩陣g2為：
那么，在局部坐標系s1下的坐標系s2的取向矩陣等于：
可以計算出（這些取向描述方法如何相互計算將在后面討論）取向矩陣對應的歐拉角為[136.20,66.68,83.91]，其數值并不等于兩個坐標系的歐拉角簡單加減。
同理，假設在全局坐標系S下，局部坐標系s1的取向矩陣為g1，在局部坐標系s1下，局部坐標系s2的取向矩陣為g2’。那么，在全局坐標系S下，依次旋轉g1和g2’，得到局部坐標系s2的取向矩陣g2為：
同理，假設在全局坐標系S下，局部坐標系s2的取向矩陣為g2，在局部坐標系s1下，局部坐標系s2的取向矩陣為g2’。那么，在全局坐標系S下，依次旋轉g2和g2’-1，局部坐標系s1的取向矩陣為g1：
彌勒指數
除了使用歐拉角、取向矩陣表示空間中晶格的取向，還可以使用彌勒指數進行描述，表示格式為(hkl)[uvw]。
展開 雙折射取向層對方位角錨定能的測量影響
在取向層的雙折射可以忽略不計的情況下，偏振面旋轉的角度γ等于液晶盒內的實際扭曲角φ，那么我們可以簡單地假設公式1:
(1)
最后應用扭矩平衡條件，根據公式2計算出方位角錨定能量常數Aφ, 這里 2Δφ=φ0-φ, K22 – 彈性常數, d – 液晶盒厚:
(2)
雙折射取向層：理論
可是對于光配向材料的情況下, 特別是在偏振光照射下發生分子定向的偶氮染料 [2,3], 取向層的光致雙折射是很重要的，它對于光在LC盒中傳播時的偏振平面旋轉角度也有貢獻。
所以取向層的雙折射需要被考慮在內。
考慮光在具有雙折射取向層的扭曲向列型液晶盒中傳播的光學路徑(Fig.1). 實際的扭曲角φ與偏振平面旋轉角度γ不同，γ也受取向層的延遲δ1=πΔn1d1/λ所影響
Figure 1. 光在帶有雙折射取向層的扭曲LC盒中的傳播示意圖
我們得到了偏振平面旋轉角度對取向層雙折射的依賴性的解析解, 公式 3, 其中 δ=πΔnd/λ Δn– 液晶層的雙折射.
(3)
根據公式3，取向層的折射各向異性的存在導致通過扭曲液晶盒的透射光的偏振平面的旋轉角度增加。 (Fig.2). 如果按照公式1給出的標準程序，預計方位角錨定能量的測量會有誤差. 事實上，取向層的延遲有助于光學扭轉效應，緩解了對高方位角錨定能量值的要求，并且需要在方位角錨定能量測量的光學方法中加以考慮。.
Figure 2. 偏振平面旋轉角度對取向層遲滯的預期依賴性
雙折射取向層：實驗
同時測量光配向材料的方位錨定能量對曝光劑量或取向層厚度的依賴性 需控制取向層的遲滯值.
展開 國家納米中心《AFM》：精確控制晶體取向，顯著提高電荷傳輸性能！
圖4.單軸取向小分子薄膜的場效應管性能。a)底柵-頂接觸的OFET器件配置示意圖。2D-GIWAXS-GIWAXS建議在小分子薄膜內進行分子堆積，b)在平行于取向PE襯底的X射線入射光束下對ZR1和ZR2-C3薄膜進行晶體堆積，c)在垂直于取向PE的X射線入射光束下對ZR1和ZR2-C3薄膜進行晶體堆積，以及d)當X射線束平行于并垂直于取向PE時對Y6晶體的堆積情況。
圖5.取向和非取向小分子薄膜的載流子遷移率隨溫度的變化。a)ZR1薄膜，b)ZR2-C3薄膜，c，d)Y6的電子和空穴遷移率，以及e)所有小分子ZR1，ZR2-C3和Y6的隨溫度變化的電荷輸運各向異性。
本文成功地實現了在高度取向的PE襯底上通過外延結晶，制備出基于不同取向的共軛小分子的均勻的、高度排列的薄膜。ZR1和ZR2-C3薄膜中的邊向分子沿取向PE襯底的拉伸方向排列有序。
展開 復旦丁建東教授課題組對單軸周期性拉伸力學刺激下彈性高分子表面的細胞取向進行研究
近日，復旦大學丁建東教授課題組的研究揭示了單軸周期性拉伸的彈性高分子表面的細胞取向存在臨界響應頻率和臨界拉伸速率，并結合高分子鏈松弛理論為該臨界現象提供了合理闡釋。
利用光刻技術、軟蝕刻技術和有限元分析方法，丁建東教授課題組設計和制備了適用于細胞力學拉伸研究的雙層聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控裝置。該裝置的工作原理為：當芯片側腔抽真空時，其體積減小，導致中間流體通道的薄膜發生拉伸，進而對黏附于薄膜上的細胞施加周期性拉伸作用。通過將PDMS微流控芯片與活細胞工作站、外源智能化真空泵聯用，同時實現了細胞實時觀察、細胞培養和細胞拉伸三大功能。
圖1 利用雙層PDMS微流控裝置探究拉伸頻率對彈性高分子薄膜表面細胞行為的影響
丁建東教授課題組以此PDMS微流控芯片為研究平臺，驗證了細胞在合適條件下有垂直于拉伸方向取向的特性。
圖2 周期性拉伸下的細胞取向
作者還借助源于建筑學中的張拉整體結構模型（tensegrity model）對材料表面的細胞處于周期性單軸拉伸時取向和能量之間的關系及其時間依賴性進行了推演。理論計算不僅得出了垂直取向的結論，而且對細胞取向有序度隨時間的演化也給出了與實驗一致的動力學趨勢。這是為數不多的可對粗?；募毎Ｐ瓦M行處理、且給出解析解的理論工作。
隨后系統探究了人骨髓間充質干細胞（hMSC）在不同拉伸頻率和幅度的循環拉伸作用下的細胞取向。在證實細胞取向存在臨界拉伸幅度的同時，發現細胞取向具有臨界響應頻率（fc），且fc的值具有幅度依賴性，對于低幅度拉伸而言，需要更高的拉伸頻率方能誘使細胞取向現象發生。
展開 研究 \\ 氮化硼高度垂直排列取向的橡膠基高性能導熱復合材料
六方氮化硼(BN)作為導熱填料在TIM中得到了廣泛的關注，因為它具有很高的導熱性和電絕緣性，特別是單個BN微板的400 W/mK面內導熱系數(λ∥)為了充分利用BN的優秀面內導熱系數，二維填料的垂直排列方法得到人們的關注，但與平行取向片狀填料相比，通常需要更復雜的工藝或特殊的設備。
目前，制造垂直取向的主流方法是冷凍鑄造和在填料表面植入磁性納米顆粒后進行垂直磁感應。最近，文獻報道了一種新的堆焊方法，具有操作簡單的優點，可以以類似于“放置積木”的方式有效地構建所需的微觀結構。得益于這種簡單的方法，一些有效的平行定向技術已開始用于制造片狀填料的垂直排列，如雙輥剪切和帶式鑄造。在所有的取向技術中，熱壓工藝是操作最簡單，應用最廣泛，成型規模最大，尤其是取向效果最好的。但是，這種定向技術尚未報道用于建造垂直排列結構。
為了利用BN中高效的面內熱傳導，實現TIMs的高面外導熱系數，BN填充材料中的熱壓工藝和堆疊焊接方法的合作對于垂直排列的納米模擬結構可能是可行的。堆焊過程中，對熱壓薄膜的性能要求是具有較高的可焊性和高溫下的形狀穩定性。然而，熱壓薄膜同時具有這兩種特性是具有挑戰性的。將動態共價鍵集成到化學交聯網絡中以制造聚合物基體，提供了一種在高溫下苛刻的可焊性和形狀穩定性之間取得平衡的方法。
02
成果掠影
近期，北京化工大學先進彈性體中心盧詠來教授和李京超老師在TIMs的設計和制備取得了一種新的進展。該團隊報告了一種結合熱壓取向和堆焊工藝的新方法，該方法基于動態硼酸酯鍵交聯的聚丁二烯(BR)橡膠基體，并通過熱壓法實現了BN的高度取向。由于動態交聯BR的重排機制及其優異的可再加工性，成功完成了后續的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復合材料（VAC）。
展開 
在huang子程序中進行晶體取向更新
同時對于多滑移系統處理方案之間并不是通用的，因此，在程序內對取向進行更新，同時以狀態變量的形式進行保存，可以很容易避免這類問題。由于網上更新取向的通常只是公式的簡單介紹，這里嘗試結合lingzhi的鎂合金更新取向的方案對黃永剛的原始程序進行修改，并以狀態變量的形式保存。將三個歐拉角分別存儲為SDV123，SDV124，SDV125。
模擬FCC沿著ND方向壓縮50%之后的取向分布，并與之前介紹的基于matlab腳本生成歐拉角的方法對比。
輸入的初始極圖
基于Matlab腳本實現的極圖
寫入fortran狀態變量對應的極圖
可以看到兩者幾乎一致，因此更推薦在Fortran程序內部進行取向更新
這里展示部分修改的Fortran程序，大家可以嘗試參考lingzhi的程序在黃程序的基礎上進行取向更新的加入
優先建議大家自行嘗試修改加入，操作出錯無法解決可以取技術鄰找到我修改后的Fortran程序，鏈接如下：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1936806
展開 北科大《Scripta Materialia》：調控取向，實現硬度高達38.6GPa的超晶格薄膜突破！
圖1 在MgO(110)和(111)襯底上制備TiN/AlN超晶格薄膜的XRD圖和TEM圖
圖2 兩種取向薄膜的SEM橫斷面圖、TEM截面亮場圖和HR-TEM截面圖
（a, b, c）沉積在MgO（110）上的薄膜；（d, e, f）沉積在MgO（111）上的薄膜
圖3 不同取向薄膜的孿晶取向
研究發現沉積在（110）襯底上的TiN/AlN膜存在很多堆垛層錯（SFs）。對于<110>取向膜，位于AlN 1.5nm厚處硬度達到峰值（38.6GPa），比
<100>
取向膜的硬度高17%，<100>取向膜的硬度峰值位于AlN 0.9nm厚處，硬度值為36.6GPa。具有較厚共格AlN層的TiN/AlN超晶格薄膜具有較厚的臨界共格厚度和更高的峰值硬度。<100>取向膜中的界面結構是不連續的，這也是硬度較低的原因。
圖4 不同厚度TiN/AlN超晶格薄膜的納米壓痕硬度
本文在相同沉積條件下制備了具有(110)和(100)擇優取向的單片TiN/AlN超晶格薄膜，結果表明，薄膜的晶體取向顯著地改變了TiN/AlN超晶格薄膜中AlN的共格厚度，進而決定了整個薄膜的力學性能。具有較厚共格AlN層的<110>定向薄膜的峰值硬度更高。本文為提高超晶格薄膜的機械性能提供了一種新的方法。（文：破風）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
展開 基于黃umat模擬不同取向FCC單晶微柱壓縮響應情況
案例說明
根據acta文獻《Multiscale modeling
of the mechanical behavior of IN718 superalloy based on micropillar compression
and computational homogenization》，建立不同取向單晶微柱模型（微柱直徑為10um，高度為12um）模擬初始不同取向的單晶在壓縮過程中的應力應變響應以及滑移系開動情況（材料參數為黃原始的參數）
1，建立微柱初始模型如下：
2，賦予微柱響應的單晶材料材料參數，（本案例主要考慮在立方金屬軋板中常見的典型取向）見下表（研究選取了前七種情況）
3，進行網格劃分，采用C3D8R單元，共包含網格為13536個單元，其中微柱部分網格進行對應的細化，底部采用相對粗糙的網格。
4，根據文獻的研究，采用類似的邊界條件，下端支撐板完全固定，對微柱頂端Z的負方向施加20%的工程應變進行壓縮模擬。
5，后處理與結果展示（默認圖片中單晶取向與表順序相同）
不同取向微柱壓縮的應力分布云圖
?
不同取向微柱壓縮的累計剪切應變分布云圖
FCC滑移系標號
滑移系a1分剪切應力分布云圖
滑移系a2累計剪切應變分布云圖
滑移系a3累計剪切應變分布云圖
滑移系b1累計剪切應變分布云圖
滑移系b2累計剪切應變分布云圖
滑移系b3累計剪切應變分布云圖
滑移系c1累計剪切應變分布云圖
滑移系c2累計剪切應變分布云圖
滑移系c3累計剪切應變分布云圖
滑移系d1累計剪切應變分布云圖
滑移系d2累計剪切應變分布云圖
滑移系d3累計剪切應變分布云圖
展開 COMSOL多晶體Voronoi泰森多邊形晶體取向力學分析
多晶材料幾何模型模型構建采用的CAD Voronoi V2.3版本，可分圖層對晶格進行繪制，分別導入有限元軟件后實現三種晶體取向的差異性。
將構建好的Voronoi多晶體幾何模型文件導入到COMSOL內，構建好晶體結構模型后，進行材料賦值操作，這里采用了三種不同的晶格材料＋一種晶格邊界。
這四種材料楊氏模量E的關系為：晶格邊界<<藍色<<黃色<灰色，其中藍色材料的楊氏模量比黃色小一個數量級，黃色比灰色小一倍，由此來區分不同晶格取向上的力學性能的差異。
對Voronoi晶體模型進行網格劃分后，進行簡單的單軸壓縮模擬，并生成應力分布圖。
通過應力圖可以看出，應力大的位置主要出現在楊氏模量更大的灰色晶格上，這與一般的力學常識相一致。同時可發現較大的晶格邊界應力，這將導致晶格間的劈裂。
同時進行同取向晶體單一材料模擬對比分析，應力圖如下：
同材料Voronoi晶體的軸壓試驗中，不同晶格之間的應力無明顯差異性，無晶格取向的晶體力學性能更趨向于各項同性材料，因此多晶結構的差異主要在于晶體取向的不同。
展開 