金屬晶體結構的案例
ANSYS Workbench晶體結構Voronoi泰森多邊形建模
在ANSYS Workbench內建立包含晶格及晶格邊界在內的晶體結構模型，可用于模擬多種物理現象及材料行為。晶格模型適用于研究微觀尺度下的材料性質，以及它們如何影響宏觀性能，如進行金屬晶體結構建模及斷裂的模擬等。
晶體結構模型可采用CAD Voronoi插件進行建模后導入Workbench內，首先采用插件在AutoCAD內建立模型的二維草圖。
在CAD內采用拉伸命令將晶格及晶界分別建立三維模型。
將模型導出為iges格式文件后，即可導入到ANSYS內。
可對晶格模型劃分網格及進行后續的有限元模擬。
CAD Voronoi插件
https://www.yqgqt.org.cn/post/1860011
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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擴展黃永剛原始晶體塑性程序加入AF背應力模擬金屬疲勞問題 ￥800
擴展黃永剛原始晶體塑性程序加入AF背應力模擬金屬疲勞問題
參考文獻：《Low-cycle fatigue life prediction of a polycrystalline nickel-base superalloy using crystal plasticity modelling approach》
在原始程序中修改流動方程，加入背應力項，引入運動硬化項，從而可以描述多晶金屬循環加載中的包辛格效應
背應力的演化遵循AF模型
并使用原始的PAN模型描述滑移系統的硬化行為
為了表征多晶的疲勞壽命，引入兩類疲勞指示因子分別為
一：累計塑性滑移
二：累計能量耗散
展開 Nature Materials：金屬晶體的快速生長機制！
金屬晶體的生長速率非常快，例如，金屬鎳的晶體生長速率可以達到70m/s。超快的生長速率預示著金屬晶體有望成為下一代的相變材料。與經典理論預測不同， 金屬晶體的生長速度如此快是由無能量勢壘動力學行為導致的。雖然對于原子液體，無能量勢壘晶體生長理論已經比較完善，但是依然缺乏比較合理的物理解釋。換句話說，熱激發主導金屬液體的擴散行為，而液體原子形成晶體結構的過程卻不需要額外的激發能，這一問題到目前依然困擾著大家。那么，金屬晶體生長的物理機制到底是什么？
近日，澳大利亞悉尼大學的孫剛博士與其合作者Peter Harowell教授 在Nature Materials上發表最新的研究成果：The Mechanism of theUltra-Fast Crystal Growth of Pure Metals from their Melts 。
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0174-6
該工作利用經典分子動力學模擬的方法，深入探討了金屬晶體生長的三個核心問題：（1）金屬材料的結晶速率為什么那么快？（2） 什么參數決定了金屬晶體的生長速率？（3） 隨著溫度降低，結晶速率出現極大值的物理原因。研究發現，金屬材料超快的結晶速率主要是因為界面液體原子的有序化過程不需要克服能量勢壘（圖1(a)）。而且，界面液體原子轉變成晶體的速率，不是決定于傳統意義上的液體動力學，而是取決于界面液體的協同運動（圖1(b)）。
圖1 在能量最小化過程中，晶體-液體界面的移動和界面液體原子的運動。
(a)通過粒子數密度表征金屬銅的晶體-液體界面在能量最小化過程中的變化。
展開 
貴金屬的十面體納米晶體：合成、表征和應用
【引言】
具有可控形狀或形態的貴金屬納米晶體已經受到基礎研究和工業應用的廣泛關注，目前諸如球體、四面體、立方體、八面體、十面體、十二面體和二十面體等貴金屬納米晶體已經能夠簡便地制備得到。盡管大多數貴金屬在面心立方結構中結晶，雙平面和/或堆垛層錯的存在使得結晶系統更加復雜，同時對于各種應用更加有趣。例如，十面體和二十面體含有多個雙缺陷并被{111}面包圍，因此它們具有一些共同的催化性質。而十面體納米晶體的獨特五孿晶結構以及近來開發的十面體納米晶體的合成方法都提供了一個很好的機會來利用種子介導的生長方式來獲取更復雜的結構。
【成果簡介】
近日，Mater. Today在線刊登了佐治亞理工學院夏幼南教授（通訊作者）發表的題為“Decahedral nanocrystals of noble metals: Synthesis, characterization, and applications”的綜述文章，集中闡述了基于貴金屬的十面體納米晶體的合成、表征和應用相關的研究進展。首先簡要介紹了十面體納米晶體的獨特特征和性質，并對十面體納米晶體的形成機制進行熱力學和動力學分析。然后分析了合成單金屬（Ag、Au、Pd、Cu、Rh和Pt）、合金十面體納米晶體以及具有核-殼、核-框架或一維結構衍生物的合成路線。最后，重點介紹了十面體納米晶及其衍生物在光子、催化和傳感應用中的應用，并總結了關于貴金屬十面體納米晶體的未來發展方向。
展開 金屬學報：孿生誘發軟化與強化效應的Cu晶體塑性行為模擬
一方面，在孿生主導塑性條件下，孿晶激活演化過程中應力-應變曲線存在明顯的應力突降現象，即孿生軟化效應；另一方面，孿晶阻礙位錯運動使得晶體材料在塑性變形過程中表現出強化現象。為了能夠精確描述孿晶激活演化及其與位錯交互作用對宏觀塑性行為的影響，來自于天津理工大學的郭祥如和申俊杰兩人基于晶體塑性理論建立描述孿晶形核、增殖和長大的位錯密度基晶體塑性本構模型，揭示了不同晶體取向Cu單晶拉伸變形過程中位錯滑移、孿生激活及其交互作用下的宏觀塑性行為演化規律，進一步分析了Cu多晶拉伸變形過程中晶粒間交互作用對孿生軟化、應變硬化等宏觀塑性行為的影響。
為了應用該模型準確模擬材料的宏觀力學響應，必須確定該模型相關材料參數。作者結合fcc晶體材料滑移系和孿生系的晶體學特征，根據前人對Cu的研究結果，最終得出晶體塑性模型Cu單晶材料參數。建立如圖1所示的Cu單晶CPFE模型。
圖1 Cu單晶拉伸過程的晶體塑性有限元模型示意圖
為了驗證上述CPFE模型的可靠性，圖2給出了Cu單晶沿不同取向拉伸過程的力學響應模擬及實驗結果的對比情況。可以看出，模擬結果與實驗結果吻合良好。在Cu單晶沿[541]取向加載條件下，其應力-應變曲線分成明顯的3個階段，即滑移階段A、孿生階段B及位錯與孿晶交互作用階段C。為了深入揭示Cu單晶塑性變形過程中各滑移系和孿生系激活演化行為及孿晶對位錯滑移的影響，圖3給出了[541]取向下Cu單晶拉伸變形過程中各滑移系和孿生系激活演化結果。
圖2 Cu單晶沿[541]和[163]取向拉伸變形過程中真應力和孿晶體積分數隨應變演化的模擬與實驗結果
圖3 Cu單晶沿[541]取向拉伸變形過程中各滑移系和孿生系的激活演化結果
為了反映多晶中晶粒的組織形貌及取向特征，基于Voronoi的特征微元重構多晶微結構，如圖4所示。
展開 金屬所《Scripta》：FCC-Zr相生長應力誘導第二相晶體堆垛層錯！
，引起其中線缺陷和面缺陷的形成或改變，進而導致第二相晶體結構發生改變。
PNAS: 中國學者在拓撲外爾半金屬晶體中發現非平庸超導特性
北大量子材料科學中心王健課題組及合作者在摻硫的第二類拓撲外爾半金屬二碲化鉬晶體中觀測到非平庸超導的信號，發現該材料是一種拓撲超導候選材料。同時，因其為層狀過渡金屬碲化物，具有很大的潛在應用價值。
1929年物理學家赫爾曼·外爾發現，有一種質量為零，自旋是半整數的費米子的行為滿足外爾方程，這種粒子被稱為外爾費米子。雖然目前在自然界中尚未觀測到這種基本粒子，但是近來人們在晶體中發現了滿足外爾方程的這種準粒子激發，這一類晶體被稱為拓撲外爾半金屬。在拓撲外爾半金屬中，費米面附近的準粒子激發滿足線性色散關系，可以用外爾方程描述，形狀猶如沙漏，被稱為外爾錐。與相對論粒子不同，外爾半金屬中的準粒子激發可以違反洛倫茲不變性。在拓撲外爾半金屬中，手性不同的外爾點成對出現在不同的動量位置。拓撲外爾半金屬還具有奇異的表面態，即在表面形成了連接手性不同的外爾點在表面上的投影點的線段態，稱為費米弧（Fermi Arc）。當具有拓撲性質的表面態形成超導態時會具有拓撲超導的性質。此外，超導材料根據超導能隙的對稱性，可以分為s波，p波，d波超導體等，其中s波超導材料中，如果不同超導能隙的相位不同，被稱作s+- 超導。高溫超導中的鐵基超導就被大多相關專家認為是s+- 超導。理論預言顯示，保持時間反演對稱性的拓撲外爾半金屬的體態若形成s+- 的超導態，會具有拓撲超導的性質 (Phys. Rev. B 90(4):045130)。
圖一. 電磁輸運實驗觀測到的s+- 超導的證據，揭示拓撲超導的可能性。 (A) 電磁輸運實驗的測量示意圖。 (B) 超導轉變溫度附近的電阻率-溫度關系。(C) 各個溫度和磁場下的電阻率。(D) 超導上臨界磁場和溫度的關系。紅色的線是兩帶超導模型的擬合曲線，擬合結果發現帶間耦合比較大，表明該超導行為是s+- 超導。
展開 擴展黃永剛原始晶體塑性程序加入AF背應力模擬金屬疲勞問題
參考文獻：《Low-cycle fatigue life prediction of a polycrystalline nickel-base superalloy using crystal plasticity modelling approach》
在原始程序中修改流動方程，加入背應力項，引入運動硬化項，從而可以描述多晶金屬循環加載中的包辛格效應
背應力的演化遵循AF模型
并使用原始的PAN模型描述滑移系統的硬化行為
為了表征多晶的疲勞壽命，引入兩類疲勞指示因子分別為
一：累計塑性滑移
二：累計能量耗散
以文獻的例，驗證修改模型的準確性，其中文獻作者的幾何模型和材料參數如下
依據該模型，作者模擬得到單調拉伸以及循環加載下材料的宏觀應力應變響應為
微觀響應結果為
基于兩類疲勞指示因子，作者通過線性外推得到了基于模擬的壽命預測結果:
基于作者提供的思路和參數，對黃永剛原始程序進行修改，考慮背應力效應，并進行簡單的數值驗證
1，建立包含200晶粒的二維多晶模型（0.1*0.03mm），并使用四節點平面應變單元進行網格劃分，如下圖
2，施加正弦形式的循環拉壓的位移載荷（1%），引力比為-1
3，模擬結果如下：
第一個滑移系統的背應力：
累計塑性剪切：
累計能量耗散：
宏觀應力應變響應：
展開 新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構
近日從外媒獲悉，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0．3至0．7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。
展開 COMSOL三維Voronoi晶體結構模型
本案例介紹在COMSOL內建立任意形狀的三維Voronoi晶體結構實體模型。
三維模型需要在AutoCAD內建立，并通過CAD三維模型Voronoi劃分插件進行晶格劃分。
將劃分好的晶體結構導出為iges格式文件，并將其導入到COMSOL內，建立裝配體。
對模型中的Voronoi晶粒設置不同的材料屬性。
可劃分網格，并進行晶體結構有限元仿真分析。
澳研究人員開發出新型金屬空氣晶體管，再為摩爾定律續命20年
人們普遍認為，隨著物理極限的逼近，摩爾定律，即集成電路上可容納的硅晶體管的數目每兩年便會增加一倍，將在 2025 年左右失效。但澳大利亞墨爾本皇家理工大學（RMIT University）的研究人員認為，他們開發的金屬基場發射空氣通道晶體管（ACT）可以在二十年內保持摩爾定律。
ACT 器件無需半導體。相反，它使用兩個面內對稱的金屬電極（源極和漏極）隔開小于 35 納米的氣隙，底部用金屬柵極調節發射場。納米級氣隙寬度小于空氣中電子的平均自由路徑，因此電子可以在室溫下穿過空氣而不會散射。
（來源：墨爾本皇家理工大學）“與傳統的必須采用硅作為基底的晶體管不同，我們的器件采用了一種自底向上的制造方法。如果能夠確定最佳的氣隙，我們就能夠建立完整的 3D 晶體管網絡。”12 月在 Nano Letters 上發表的關于新晶體管的論文的第一作者 Shruti Nirantar 說。“這意味著我們可以不再追求小型化，而是專注于研究緊湊的 3D 架構，這使每單位體積上能有更多的晶體管。”
用金屬和空氣來代替半導體作為晶體管的主要元件有許多優點，RMIT 功能材料和微系統研究組的候選人 Nirantar 博士說。它使得制造晶體管基本成為鋪設發射器和收集器并限定氣隙的單步過程。盡管 ACT 生產工藝采用標準的硅制造工藝，但由于不需要摻雜、熱處理、氧化和形成硅化物等一系列步驟，生產成本被大幅削減。
此外，用金屬代替硅意味著這些 ACT 器件可以在任何電介質表面上制造，只要下面的襯底能利用底部金屬柵，高效調制從源極到漏極的發射電流。
“ACT 器件可以建在超薄玻璃、塑料和彈性體上，”Niranta 說。“因此，它們可以應用于可穿戴設備。”
更換空間電路中的固態溝道晶體管是另一個潛在應用。
展開 基于Lumerical fdtd的超透鏡設計(介質天線結構和金屬諧振結構)
圖4 金屬諧振結構在寬波長范圍下的反射率曲線和反射相位曲線
同樣，也可以對金屬諧振結構表面的電場和磁場進行模擬和輸出，如圖5所示。這一步驟與超材料吸波體、電磁誘導透明和超材料濾波器等器件的模擬基本一致。與介質天線結構類似，后續也需要對不同參數下的金屬諧振結構進行掃描并將其相位進行輸出，以便后續超透鏡的相關設計。
圖5 金屬諧振結構的表面電場圖和磁場實部圖
以上工作準備完成后，我們才可以根據超透鏡的功能需求對其陣列進行設計以及相關的建模和仿真工作.
lumerical一對一培訓介紹:
Lumerical培訓
如有案例文件和相關腳本的需求，歡迎通過公眾號聯系我們。
微信公眾號:320科技工作室
展開 ABAQUS三維晶體結構柱狀晶等軸晶建模
通過ABAQUS三維晶體塑性有限元建模，深入揭示柱狀晶微觀結構（如晶粒尺寸、取向）與力學性能的關聯，為鑄造、焊接工藝優化提供關鍵理論依據，顯著提升材料可靠性與使用壽命。本案例介紹在ABAQUS內建立三維晶體結構有限元模型。
柱狀晶體模型采用CAD Voronoi V2.1插件建模，首先建立二維Voronoi模型，并在CAD內通過拉伸命令形成三維柱狀晶體。
等軸晶模型采用CAD Voronoi 3D插件直接生成。
CAD晶體結構建模完成后，導出為iges文件，并以部件的形式導入到ABAQUS內。
在ABAQUS內建立裝配即可完成三維晶體結構的建模。
展開 金屬凝固過程組織結構演變的完美呈現 | 同步輻射在金屬材料表征方面的應用
在金屬材料領域，有一個關系一直被人們研究和利用，那就是成分-組織-性能關系。認識清楚了該關系，人們就知道了該如何制備更好的材料。為此，人們不斷探索新的表征方法，幫助認識材料的微觀組織，揭示這一重要關系。
近百年來，科研人員聚焦金屬材料組織結構的表征，發展起來了光學顯微鏡、激光共聚焦、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等。通過材料截面的拋光與腐蝕，呈現金屬的微觀組織結構并采用顯微鏡觀察和記錄。
即使在科技比較發達的今天，人們在分析金屬材料的微觀組織結構時大多還是大多使用二維圖像。然而，隨著人們對問題的認識不斷深入，越來越希望了解材料微觀組織結構的三維特征，甚至時間特征。于是多種層析技術應運而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認識和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時間和溫度場等。由于問題的復雜性，直到今天，人們也沒有完全認識和徹底呈現凝固過程中的微觀組織演化。
科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競爭力的手段。
何為同步輻射
在過去的幾年里，材料研究的前沿領域取得了迅速的進展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴大我們對材料前沿的基本理解。
中國第一臺第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過14億元
同步輻射是相對論和超相對論電子在磁場中旋轉產生的輻射，是高能天體物理學中的主要過程。它最初是在早期的電子感應加速器實驗中觀察到的，在實驗中電子首先被加速到超相對論能量，加速器發出強大X射線輻射。
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