形狀記憶光子晶體的案例
《AFM》英屬哥倫比亞大學：來自纖維素納米晶體的形狀記憶光子熱塑性塑料
【摘要】
使用形狀記憶光子晶體制備的響應材料在可重寫光子器件、安全特征和光學涂層中具有潛在的應用。最近，
英屬哥倫比亞大學
Mark J. MacLachlan
教授
團隊
通過將
手性向列纖維素納米晶體
(CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕獲不同的顏色狀態。
在該系統中，溫度用于對形狀記憶響應進行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過增加施加的力（≈140-230 N），結構顏色可以從紅色調整為藍色。然后，根據需要，CNC-SMP 可以通過將其加熱到玻璃化轉變溫度以上來恢復到其原始狀態。該循環可以執行 15 次以
上，而不會損失任何形狀記憶行為或樣品的機械退化。此外，通過使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數編程到手性向列型
CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉變溫度可以通過改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內進行調整制備聚丙烯酸酯基質。
相關論文以題
為
Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals
發表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
【主圖導讀】
圖1
手性向列
CNC-SMP 的順序編程和恢復的示意圖。
展開 大連理工大學張淑芬教授CEJ：浸潤性可調的可重構形狀記憶光子晶體用于揭示氣泡演化和操縱
鑒于此，大連理工大學張淑芬教授和伊利諾伊大學香檳分校化學與生物分子工程系的楊宏（Hong Yang）教授合作，以潤濕性控制的形狀記憶3D反蛋白石和2D碗狀光子晶體作為大孔載體，引入活性二氧化錳，通過跟蹤過氧化氫的催化析氧，在一個簡單的系統中便可直觀地分析氣泡的產生、生長、聚結、破裂和漂浮過程。
圖 1. a)大孔材料表面氣泡演化示意圖; b) 壓力誘導圖案化后氣泡演化示意圖。
氣泡的演化伴隨著氣液交換，導致薄膜體系有效折射率的變化，從而引起結構顏色的紅移或藍移。因此，氣泡演化和相應的氣液交換可以通過結構色進一步被揭示。當薄膜浸入30% 過氧化氫溶液中時，由于有效折射率的增加，局部潤濕引起結構色紅移。與此同時，過氧化氫穿過光子晶體與下表面的活性二氧化錳接觸，觸發催化析氧，氧氣穿過大孔在上表面成核并聚集，形成附著氣泡。隨著氧氣泡的富集，氣泡不斷生長。由拉普拉斯壓力觸發的氣液交換使相應的反蛋白石的有效折射率降低，從而導致結構顏色的藍移。氣泡破裂或漂浮后，液體再滲透到相應的大孔中，由于有效折射率的增加而再次導致結構色紅移。
圖 2.大孔材料表面氣泡演化過程的光學顯微照片和數碼照片
圖 3.壓力編碼前后大孔材料表面氣泡演化過程中相應的光譜、粘附力以及析氧量
氣泡演化過程中，受表面潤濕性的調控，結構色紅移或藍移程度直觀的反映了大孔材料內的氣液交換強度。通過壓力誘導大孔變形可以有效的調節3D反蛋白石和2D碗狀光子晶體的表面浸潤性，從而調控氣液交換強度以及氣泡粘附力。
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 JCMsuite應用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學中實現緊湊光學元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質膜和在一個規則的、有限的、六邊形網格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結構有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區域選擇為全結構的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網格離散L5空腔幾何形狀(藍色:介質材料，灰色&省略區域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內波長的光場被定位在腔內。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發，推導出計算模式的共振波長以及模式的質量因子(Q因子)。
計算的特征模態可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 
【論文介紹】Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
目前課題組正承擔國家自然科學基金項目“快速凝固超細晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學基金“微尺度熔體抽拉鐵磁形狀記憶纖維的雙功能特性研究”；黑龍江省省屬本科高校基本科研業務費面上項目“微尺度形狀記憶金屬絲的可控制備及形狀記憶效應研究”等。
原文出處：
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學習, 沈紅先, 孫劍飛, 溫亞芹, 王歡, 任曉輝, 陰爽
材料工程，2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518
展開 【論文介紹】Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
目前課題組正承擔國家自然科學基金項目“快速凝固超細晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學基金“微尺度熔體抽拉鐵磁形狀記憶纖維的雙功能特性研究”；黑龍江省省屬本科高校基本科研業務費面上項目“微尺度形狀記憶金屬絲的可控制備及形狀記憶效應研究”等。
原文出處：
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學習, 沈紅先, 孫劍飛, 溫亞芹, 王歡, 任曉輝, 陰爽
材料工程，2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518
展開 一種可用于形狀記憶合金（SMA）的UMAT子程序 ￥29.99
這個 UMAT 展示了如何在標準塑性框架內嵌入相變效應，為模擬如形狀記憶合金 (SMA)、相變誘發塑性 (TRIP) 鋼等智能材料或先進金屬提供了基礎。理解和應用此代碼需要對彈塑性力學理論、ABAQUS UMAT 接口和特定材料的相變機制有深入的了解。
4、 代碼解釋以及案例文件（inp，umat子程序)
comsol形狀記憶合金彈簧仿真
并且我發現他的形狀記憶合金只涉及奧氏體和馬氏體，并沒有對馬氏體進行孿晶馬氏體和去孿晶馬氏體的區分，這樣的話在仿真形狀記憶效應的時候初始狀態和結束狀態馬氏體體積分數為0，但是其實并不是這樣，請問會不會有問題。
sma_spring_bili_q.mph
comsol形狀記憶合金拉伸仿真
梁
神奇的功能材料——形狀記憶合金
形狀記憶合金在發生了塑性變形后，加熱到一定溫度，還可以恢復原狀。
合金，是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經過一定方法所合成的具有金屬特性的物質。根據組成元素的數目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國是世界上最早研究和生產合金的國家之一，在商朝青銅（銅錫合金）工藝就已非常發達。我們常聽到的有鋁合金、鈦合金等，但是，有一種類型的合金具有神奇的“記憶”本領，稱為形狀記憶合金，這你知道嗎？
一般的金屬材料在外力作用下會產生永久性的塑性變形。但是形狀記憶合金在發生了塑性變形后，加熱到一定溫度，還可以恢復原狀。
1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應。1963年，美國海軍軍械研究所的研究人員在一項實驗中需要一些鎳鈦合金絲，但他們拿到的合金絲都是彎彎曲曲的，不符合實驗要求。于是，他們就把這些細絲拉直。但是在實驗中，當溫度升到一定值的時候，這些被拉直的合金絲又突然恢復到原來彎曲的形狀。他們反復做了多次試驗，結果都一樣。后來還陸續發現，某些其他合金也有類似的功能。
記憶合金
原來，在這類記憶合金中，金屬原子按一定的方式排列起來。這些金屬原子受到一定的外力作用時，可以離開自己原來的位置到另一個位置去。當這些合金受熱升溫后，由于獲得了一定的能量，這種金屬原子又會回到原來的位置。這就是記憶合金在加熱到一定溫度后又恢復原狀的原因。
事實上，每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉變溫度。在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然后將其冷卻到轉變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉變溫度以上，該合金便會自動地恢復到原先在轉變溫度以上加工成的形狀。
形狀記憶合金最早的應用是在管接頭和緊固件上。
展開 JCMsuite應用：多核光子晶體光纖
在這個例子中，我們計算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個例子的計算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內。然而，我們要考慮到，由于主導波區域的折射率并不比外部大，輻射會泄漏到計算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數在基本示例傳播模式中進行了描述。作為有效折射率的初始猜想，我們取值為neff=1.456略低于纖維材料折射率的值neff=1.4585.
下面的圖像顯示了對選擇的光纖計算后的模式強度：
在目前的PCF例子中，為了減少計算成本，應用切向磁邊界條件似乎是合理的，因為電場強度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對稱性允許我們將計算域的大小減少到四分之一。
展開 
Ansys Lumerical | 光子晶體布拉格光纖仿真應用
01 說明
FDE求解器可用于精確計算任意復雜結構的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個參數化組對象，可以進行結構建模。最初，在x-min和y-min處使用反對稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設置模擬。反對稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結構，從而節省時間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對稱條件或對稱和反對稱條件的組合的重要模式。
03 運行和結果
首先，我們運行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標系中的Hr圖。
要研究此類結構的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設置為PML，如下所示。我們最初沒有這樣做，因為它會增加計算時間，并且會更難找到導模的有效折射率。當我們重新計算模式時，我們可以查看折射率0.998附近并發現不同的模式。
軟件會計算出將近20種模式。
模式7是
模式8是
上圖顯示了磁場的徑向和角分量，可以與Uranus等人的結果進行比較，我們將有效折射率和損耗與Uranus等人的結果進行比較。
MODE有效折射率結果與Uranus等人的結果非常接近。對于這種對數值網格的微小變化（以及實際制造缺陷）非常敏感的結構，計算損耗則更加困難，并且需要進行一些收斂測試才能找到更準確的結果。
收斂測試
我們首先將感興趣的兩種模式復制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
現在可以通過運行優化和掃描來測試收斂性。掃描通過增加網格數目來多次計算模態。
展開 JCMsuite應用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個描述很難“手工”完成，輸入所有點的坐標。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個復雜的幾何圖形和模擬運行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。關于該機制的完整描述可以在Matlab?Interface中找到，并且超出了本例的范圍，本例僅用于演示嵌入式腳本的能力。
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
計算得到的空心模式是雙重簡并的。
展開 JCMsuite應用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。其幾何結構為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計算得到的空心模式是雙重簡并的。下圖顯示了計算得出的模態強度(第一行)和相應的向量場分布(第二行)。
在run_project.m腳本內將模板轉換為常規的JCMsuite輸入文件，網格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結果結構中存儲的特征值寫入控制臺。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應模板的后綴。模板被設計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數，如圓角、周期、包層環的數量等，就可以生成復雜的布局描述。這些主要的輸入參數是在run_project中設置的。m腳本。當它在Matlab中執行時，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。
展開 案例40-具有熱效應的形狀記憶合金（SMA）
該示例問題提出了兩種形狀記憶合金（SMA）模擬：脊柱間隔植入物和彈簧致動器。
突出顯示了以下特性和功能：
• 使用馬氏體和奧氏體（鎳鈦化合物）的SMA材料模型
• 熱載荷下的SMA行為
介紹
形狀記憶合金（SMA）是一種材料，在經受機械加載/卸載循環之后，能夠經受大變形而不顯示殘余應變（偽彈性），或者能夠通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。
偽彈性和形狀記憶效應是材料特性，特別適用于航空、生物醫學和結構工程應用。盡管SMA材料分析和設計已經取得了很大進展，但由于高度非線性的滯后轉變、材料退化和熱機械疲勞，精確控制SMA仍然存在許多挑戰。有限元分析已廣泛用于模擬SMA材料，并為設計使用SMA材料的產品提供了有價值的工具。
SMA相變理論
二階張量被定義為測量與相變相關的應變的轉換應變：
其中是完全變換后的相變中的范數的最大值。
因此，應力以應變表示：
在相變過程中，相變應力定義為：
其中是室溫T和材料相關溫度T0的正單調遞增函數，低于該溫度時，不會出現孿晶馬氏體。β是一個重要參數。材料參數h與相變中材料的硬化有關。
的演化方程如下：
其中，極限函數F根據轉換應力和彈性域半徑R以Prager型極限函數的形式給出：
其中：
因此，相變的控制方程表示為：
除了馬氏體和奧氏體的楊氏模量和泊松比外，還定義了其他六個參數：M、R、h、T0、β和。
SMA熱效應模擬
脊椎間隔器通過SOLID187單元模擬，彈簧致動器通過BEAM188和SOLID185單元模擬。
展開 