晶格材料
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-30
晶格材料的實例教程
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是基于商業有限元軟件ABAQUS完成的建模，晶體塑性本構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模擬了面心立方結構(FCC)、體心立方結構(BCC)和密排六方結構(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-應變數據有助于從根本上理解晶粒尺度下金屬變形的性質。
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建，從完全新手的角度出發，一步步講解如何建模，賦予材料和處理仿真結果。
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 本文首先總結了相變存儲材料在信息技術中的廣泛應用，特別介紹近幾年相變存儲材料領域的研究熱點—GeTe/Sb2Te3超晶格材料在超低功耗數據存儲中的重要前景。然后，討論了相變超晶格在微觀原子結構和工作原理探究方面的主要進展，并對目前提出的主流工作機制進行點評和分析：開發超晶格相變存儲器的日本產綜研最早提出Ge層整體翻轉的工作機制，然而該機制面臨原子跳變勢壘大、原子模型難以被電鏡實驗觀察等困難，在此上介紹了業界最近提出的另外幾種重要機制，包括微區部分融化（部分非晶化）機制、堆疊層錯輔助金屬絕緣體相變機制、應變輔助相變機制等。文章進一步討論了超晶格材料制備方法、材料組分和元素摻雜對器件性能的影響，并據此提出提升器件性能的超晶格材料優化策略。最后，展望了超晶格相變存儲材料的新型應用。
【圖文導讀】
圖1.電子設備和物聯網產生的數碼數據的增長趨勢
圖2. 計算機中的典型存儲架構
圖3. 相變存儲基本原理及應用
圖4. 相變存儲材料工作過程中的能量耗散示意圖
圖5.
展開 原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。因此，通過合理地調整結構參數，可以獲得所需的隔振性能和耐撞性。最后，從隔振性能和耐撞性等綜合方面進行了多目標優化，得到了新型三維超材料的優化設計。本工作為開發具有隔振性能和耐撞性的多功能超材料提供了新的可能性。
原文總結：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設計，并對其振動隔離能力和耐撞性進行了全面的研究。通過多目標優化來優化變形材料，同時考慮了振動隔離和耐撞性。主要結論如下：
(1) 通過調整所提出的三維變形材料的結構參數，可以控制帶隙和破壞響應，從而控制振動隔離特性和能量吸收性能。
(2) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著b的增加而先打開后關閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現先增加后減小的趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著b的增加而增加。
(3) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著d的增加而逐漸減小。帶隙的群速度范圍隨著d的增加而呈下降趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時先減小后增加。總體上講，隨著d的增加，聲能吸收效率(SEA)的差異并不顯著。
(4) 隨著t的變化，群速度范圍的變化相對較小。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著t的增加而增加。
展開 導讀：晶格結構具有重復、多孔等特性，能夠吸收振動能量，實現抗沖擊的特性。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，數字制造軟件公司General Lattice, Inc.正在開發預測建模工具包，根據真實數據設計和生成晶格材料，用于改進美國陸軍作戰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項目。據悉，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。
晶格材料改造傳統設計
傳統泡沫材料的功能幾乎已經達到了可開發的盡頭，晶格材料成為了普遍公認的替代性、創新性材料。隨著3D打印晶格結構技術和材料的不斷改進，這類結構對于吸收沖擊能量的優勢愈發明顯，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打印晶格結構。照片來自General Lattice
許多公司都在積極設計和驗證3D打印晶格結構產品，尤其是鞋類產品。阿迪達斯和Carbon聯合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋利用領結形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 近期英國帝國理工學院團隊發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量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。
注：網絡配圖
晶格結構由重復節點和連接支柱組成，結合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構——晶格整體取向單一。
同樣的現象也存在于金屬單晶中，其結構類似，內部會沿特定平面發生滑移而變形。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，設計了具有粒狀結構的新型晶格狀超材料，使內部晶格的不同區域具有不同的取向。
研究人員發現，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發生形變時，比傳統超材料更堅固，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域的尺寸來增強。
研究團隊創造了在施壓后能夠扭變成不同構型的特殊“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，甚至與生產工藝、模擬工具的創新能力都息息相關。掌握其中的奧秘，學會調整某些參數，創造出符合生產、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
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Ansys | 雙折射是什么？1個月前
雙折射的核心原理
雙重折射現象取決于材料的結構（即材料的晶格），以及入射光線的偏振和傳播方向。非偏振光進入雙折射材料后，會分裂成兩條不同的光線，分別稱為尋常光線（o光線）和非尋常光線（e光線）。o光線的偏振方向垂直于（或正交于）光軸——即光不會發生雙折射的方向，而e光線的偏振方向與光軸不完全垂直。這兩條偏振光線在折射后，會以不同的角度和速度傳播。
壓電式MEMS：當器件出現機械變形時，這些MEMS會利用壓電效應（重新分配材料晶格中的電荷）來產生電流。
激光式MEMS：激光式MEMS通過將其輸出波長調整至所需的電磁頻譜大小/區域來調諧激光器。其可用于為不同應用調諧不同類型的激光，從聲光濾波器到光學通信和汽車照明，不一而足。
許多MEMS傳感器屬于慣性測量單元（IMU）類別，其會將機械響應轉換為電信號輸出。
不過，在宏觀觀察與微觀分析之間存在著差異，比如微觀層面的材料晶格變化、分子間相互作用的調整等，在細節宏觀的彎曲實驗中往往難以直接捕捉。
也可建立無晶界模型，對不同晶格分別指派材料。
可將Voronoi晶體部件進行裝配。
及完成網格劃分等操作。
參考文獻：《Influence of texture distribution in magnesium welds on their non-uniform mechanical behavior: A CPFEM study》
主導孿晶重定向（PTR）方案作為目前處理HCP晶格結構的多晶材料孿晶模擬中最常使用的方案被廣泛討論，然而晶體取向旋轉過程可能會造成模擬的收斂性問題，選擇一個相對穩定的本構框以及迭代變量對模擬計算效率的提升是有意義的
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06885-w
本研究在鈷基三角晶格量子磁性材料中，通過理論和實驗研究緊密結合，證實了阻挫量子磁體中超固態（自旋超固態）的存在。這是在實際固體中首次給出超固態存在的實驗證據。
對于二維材料，計算得到的晶格熱導率還需要做以下修正
二維材料的晶格熱導率=輸出文件結果*POSCAR 真空層方向總厚度/原子層厚度
原子層厚度=POSCAR 真空層方向相距最遠的兩個原子的范德華半徑之和+POSCAR 真空層方向相距最遠的兩個原子的距離。
2、電子熱導率的計算
目前有兩種方法計算電子熱導率，一種是使用BoltzTraP計算得到的電子熱導減去TσS2。
模型基于背景網格實現，通過單元集的劃分，將不同的晶格指定不同的材料類型。
原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。
SMA 風靡在結構抗震領域，大概是因為它具備以下兩點特點：1）基于應力驅動的奧氏體轉變馬氏體的超彈效應；2）因為材料晶格的微觀轉變導致材料在加載和卸載的路徑不重合，就是我們靜力學上稱之為靜力滯后（耗能能力），使得他非常適合于構造新型的韌性結構。
