晶格材料的案例
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(jìn)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(shí)的力學(xué)響應(yīng)?；诨圃淼木w變形理論，隨著變形的進(jìn)行各滑移系統(tǒng)的臨界剪應(yīng)力都會(huì)增大，CPFEM將捕捉到材料的力學(xué)響應(yīng)(應(yīng)力-應(yīng)變曲線)。這些應(yīng)力-應(yīng)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(gè)簡(jiǎn)單的FCC晶格材料的例子入手，講解如何進(jìn)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(gè)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 Mater.綜述：面向低功耗和高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器應(yīng)用的相變超晶格材料：微觀圖像
本文首先總結(jié)了相變存儲(chǔ)材料在信息技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，特別介紹近幾年相變存儲(chǔ)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)—GeTe/Sb2Te3超晶格材料在超低功耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的重要前景。然后，討論了相變超晶格在微觀原子結(jié)構(gòu)和工作原理探究方面的主要進(jìn)展，并對(duì)目前提出的主流工作機(jī)制進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和分析：開發(fā)超晶格相變存儲(chǔ)器的日本產(chǎn)綜研最早提出Ge層整體翻轉(zhuǎn)的工作機(jī)制，然而該機(jī)制面臨原子跳變勢(shì)壘大、原子模型難以被電鏡實(shí)驗(yàn)觀察等困難，在此上介紹了業(yè)界最近提出的另外幾種重要機(jī)制，包括微區(qū)部分融化（部分非晶化）機(jī)制、堆疊層錯(cuò)輔助金屬絕緣體相變機(jī)制、應(yīng)變輔助相變機(jī)制等。文章進(jìn)一步討論了超晶格材料制備方法、材料組分和元素?fù)诫s對(duì)器件性能的影響，并據(jù)此提出提升器件性能的超晶格材料優(yōu)化策略。最后，展望了超晶格相變存儲(chǔ)材料的新型應(yīng)用。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)碼數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)
圖2. 計(jì)算機(jī)中的典型存儲(chǔ)架構(gòu)
圖3. 相變存儲(chǔ)基本原理及應(yīng)用
圖4. 相變存儲(chǔ)材料工作過程中的能量耗散示意圖
圖5.
展開 三維晶格超材料的隔振性能及耐撞性研究
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(gè)空心菱形十二面體和六個(gè)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(shí)，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過合理地調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到了新型三維超材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本工作為開發(fā)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(jié)：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設(shè)計(jì)，并對(duì)其振動(dòng)隔離能力和耐撞性進(jìn)行了全面的研究。通過多目標(biāo)優(yōu)化來優(yōu)化變形材料，同時(shí)考慮了振動(dòng)隔離和耐撞性。主要結(jié)論如下：
(1) 通過調(diào)整所提出的三維變形材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以控制帶隙和破壞響應(yīng)，從而控制振動(dòng)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(guān)閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。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(shì)。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時(shí)先減小后增加?？傮w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(duì)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 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(guó)陸軍簽訂合同
導(dǎo)讀：晶格結(jié)構(gòu)具有重復(fù)、多孔等特性，能夠吸收振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)抗沖擊的特性。因此，備受運(yùn)動(dòng)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(yù)測(cè)建模工具包，根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和生成晶格材料，用于改進(jìn)美國(guó)陸軍作戰(zhàn)頭盔的沖擊吸收技術(shù)。為此，General Lattice已于2021年9月21日宣布與美國(guó)陸軍簽訂合同，進(jìn)行為期一年的研發(fā)項(xiàng)目。據(jù)悉，項(xiàng)目目前正在伊利諾伊州芝加哥的General Lattice工廠進(jìn)行。作為項(xiàng)目的一部分，General Lattice將與軍事和聯(lián)邦服務(wù)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(shè)計(jì)
傳統(tǒng)泡沫材料的功能幾乎已經(jīng)達(dá)到了可開發(fā)的盡頭，晶格材料成為了普遍公認(rèn)的替代性、創(chuàng)新性材料。隨著3D打印晶格結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料的不斷改進(jìn)，這類結(jié)構(gòu)對(duì)于吸收沖擊能量的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，并逐漸被制造商認(rèn)可并廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)和驗(yàn)證3D打印晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，尤其是鞋類產(chǎn)品。阿迪達(dá)斯和Carbon聯(lián)合推出的Tokyo Collection 4DFWD跑鞋利用領(lǐng)結(jié)形FWDCELL格子中底將緩沖性能提高了23%，在垂直負(fù)載下的前向運(yùn)動(dòng)增加了三倍，同時(shí)將峰值制動(dòng)力降低了15%。
展開 
多向晶格+3D打印：全新人造超材料輕便又堅(jiān)固
近期英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)材料學(xué)最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強(qiáng)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(shù)制成，而其中新型晶格則是根據(jù)強(qiáng)金屬合金的基本原理設(shè)計(jì)的。
注：網(wǎng)絡(luò)配圖
晶格結(jié)構(gòu)由重復(fù)節(jié)點(diǎn)和連接支柱組成，結(jié)合3D打印技術(shù)，制造出來的材料既輕便又堅(jiān)固。然而，一旦這些材料失效，會(huì)帶來災(zāi)難性后果，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)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(huì)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(jìn)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(luò)配圖
此次，帝國(guó)理工學(xué)院科學(xué)家模擬多晶材料，設(shè)計(jì)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(shí)，比傳統(tǒng)超材料更堅(jiān)固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強(qiáng)度可以通過縮小每個(gè)粒狀晶格區(qū)域的尺寸來增強(qiáng)。
研究團(tuán)隊(duì)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(huì)為科學(xué)界帶來更加堅(jiān)固且適合于各種應(yīng)用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學(xué)家對(duì)物質(zhì)基礎(chǔ)性狀的理解程度有關(guān)，還與新理論及相關(guān)驗(yàn)證的效率有關(guān)，甚至與生產(chǎn)工藝、模擬工具的創(chuàng)新能力都息息相關(guān)。掌握其中的奧秘，學(xué)會(huì)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(xué)家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日?qǐng)?bào)
展開 《Nature Commun》：多晶宏觀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)化機(jī)制！
圖4 不同元晶數(shù)目晶格的力學(xué)性能。
圖5 類-多晶-元-晶的模型演示和變形行為。
圖6 將硬化效應(yīng)與邊界相干性和類型聯(lián)系起來。
考慮到晶格材料的高各向異性，增加不同晶體取向的疇，即類多晶-元-晶的數(shù)量，不僅可以提高結(jié)構(gòu)晶格材料的強(qiáng)度和能量吸收，而且可以最大限度地減小結(jié)構(gòu)晶格材料的各向異性。這種最小的各向異性，可以提高材料在多軸和復(fù)雜加載路徑下的性能。
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鄭小雨團(tuán)隊(duì)突破晶格局限3D打印壓電智能材料
他們的設(shè)計(jì)方案正來源于利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的晶格原理并打破晶格的局限性，通過三維幾何構(gòu)型在二維投影面的投影的分布，巧妙的設(shè)計(jì)出在各個(gè)方向具有不同壓電輸出的人工壓感結(jié)構(gòu) (圖1)。該設(shè)計(jì)理念巧妙的聯(lián)想于人們熟悉的影子木偶游戲。 該單元人工晶格結(jié)構(gòu)，通過排列組合，構(gòu)成了三維桁架式立體結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計(jì)和機(jī)電耦合有限元計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在三個(gè)坐標(biāo)方向上具有不同的對(duì)稱性從而產(chǎn)生任意壓電系數(shù)空間方向張量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過晶體本身的對(duì)稱分布。他們通過使用不同連接度的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行組合， 還可使一完整結(jié)構(gòu)同時(shí)具有不同的剛度和強(qiáng)度特性，實(shí)現(xiàn)力電多功能壓電耦合材料。
圖1（a）
圖1（b）
圖1 三維投影法實(shí)現(xiàn)壓電張量方向設(shè)計(jì)
圖2: 高靈敏度壓電材料的合成及增材制造
1 多功能柔性可穿戴智能材料
通過電壓激活后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制造出了一系列新型智能材料。該三維材料可具有任意形狀，任意內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元和材料本身任意部位均具有壓電感應(yīng)功能，無需任何附加傳感器即可實(shí)現(xiàn)電壓輸出。 該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了該材料的多種潛在應(yīng)用，他們做出了柔性壓電材料，將材料附著在任意曲面上探測(cè)壓力，將材料打印成指環(huán)感應(yīng)手指彎曲力。 同時(shí)他們打印出輕質(zhì)，堅(jiān)硬的吸能材料，該壓電材料可實(shí)時(shí)探測(cè)到表面受到的沖擊同時(shí)將吸入的能量實(shí)時(shí)檢測(cè)出。
圖3: 可穿戴柔性壓電材料實(shí)時(shí)自行探測(cè)動(dòng)態(tài)壓力
2 自感應(yīng)吸能材料及護(hù)甲
由于這種智能材料各個(gè)部位均具有壓電感應(yīng)，其打印制成的三維結(jié)構(gòu)將無需任何附加傳感器，并探測(cè)出任意位置的壓力或震動(dòng)。
展開 晶格結(jié)構(gòu)激發(fā)產(chǎn)品重塑
增材制造技術(shù)的一大特點(diǎn)對(duì)復(fù)雜細(xì)節(jié)的制造能力，晶格結(jié)構(gòu)就是最典型一種復(fù)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(shí)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(dòng)或者達(dá)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(dāng)散熱介質(zhì)、聲振、微波吸收結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以說晶格可以是非常有用的，本期3D科學(xué)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(yīng)用，從而感受設(shè)計(jì)和制造晶格的挑戰(zhàn)。
圖片來源：雷尼紹
晶格的微妙畫風(fēng)
輕量化
晶格是輕量化的一大貢獻(xiàn)，通過消除不必要的材料，同時(shí)為剛性要求高的部分提供更堅(jiān)實(shí)的晶格結(jié)構(gòu)，減少材料浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)輕量化結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需要結(jié)合整個(gè)零件的功能實(shí)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(jī)排氣噴嘴冷卻結(jié)構(gòu)的原型， 是HiETA Technologies設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不僅僅通過減少材料的浪費(fèi)來降低構(gòu)件的成本，由于較短的構(gòu)建時(shí)間，使得加工成本也降低了（考慮到增材制造設(shè)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(gè)有前途的應(yīng)用領(lǐng)域是能量的吸收，晶格的兩種動(dòng)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(yīng)。通過對(duì)晶格材料的定制化設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)應(yīng)用的具體需要，精確設(shè)計(jì)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 超材料六面體晶格帶隙設(shè)計(jì)數(shù)值仿真 ￥1000
<p> 本案例建立了一六面體晶格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。模型中內(nèi)核是硬質(zhì)高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質(zhì)彈性硅膠，外殼是硬質(zhì)樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質(zhì)樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔。基于COMSOL軟件對(duì)特征值求解分析作波矢參數(shù)的參數(shù)化掃描，得到特征頻率和振型模態(tài)的結(jié)果，如圖2所示。提取最低價(jià)的本征頻率，繪制了晶胞參數(shù)的頻帶結(jié)果圖，如圖3所示。
未來的汽車將采用革命性3D打印防震材料制成
薩里大學(xué)的科學(xué)家與巴爾的摩約翰·霍普金斯大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)的研究人員合作開發(fā)了一種具有高剛度和阻尼的新型3D打印材料。這種新材料雖然像金屬一樣堅(jiān)硬但也足夠柔韌，可以承受強(qiáng)烈的振動(dòng)，可能會(huì)改變汽車制造業(yè)。
該團(tuán)隊(duì)探索了一種由承重格子組成的建筑材料，該格子與自由浮動(dòng)的格子交織在一起。他們通過使用3D編織技術(shù)紡織復(fù)合板材與選定的無粘合纖維實(shí)現(xiàn)了這種幾乎不可能的材料組合，允許材料內(nèi)部移動(dòng)和吸收振動(dòng)，同時(shí)周圍材料保持剛性。
三維編織格子分兩個(gè)階段制造。首先，通過堆疊相互正交的經(jīng)線和填充線來編織由金屬線構(gòu)成的織物，其中Z線穿過厚度并纏繞頂部和底部填充線，將織物結(jié)合在一起。其次，釬焊將電線連接成3D互連的剛性框架。
（a）3D編織（3DW）晶格材料由Z-（綠色），經(jīng)線（紅色）和填充（藍(lán)色）線組成
（b）黃色表示釬焊位置（頂部和底部）
（c）具有剛性骨架（頂部和底部的釬焊部分）和結(jié)構(gòu)核心中的自由晶格構(gòu)件的3D編織格子的橫截面
（d）釬焊頂面的SEM圖像，其證實(shí)了冶金結(jié)合金屬格子
激光多普勒振動(dòng)（LDV）設(shè)備在高頻下測(cè)量3D編織網(wǎng)格的頻率響應(yīng)
這種新型的阻尼超材料在廣泛的重量敏感應(yīng)用中具有潛在的用途，這些應(yīng)用需要在高頻下振動(dòng)衰減。此外，這些材料的主要優(yōu)點(diǎn)是高度可擴(kuò)展、允許多材料晶格并且易于選擇性粘合，這對(duì)我們的架構(gòu)至關(guān)重要。
研究人員認(rèn)為，他們的新材料可以使火車、汽車和飛機(jī)等交通工具迎來新一輪更新，讓客戶在旅途中幾乎不會(huì)受到任何振動(dòng)。
（來源：3D虎）
展開 3D打印復(fù)雜彈性晶格結(jié)構(gòu)
導(dǎo)讀：南極熊獲悉，總部位于德國(guó)的3D打印服務(wù)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(fù)雜的彈性晶格結(jié)構(gòu)，本次資金由德國(guó)AiF資助。使用Carbon樹脂數(shù)字光合成 (DLS) 3D 打印技術(shù)和EPU41/EPU40材料，RPM計(jì)劃在明年與工業(yè)和消費(fèi)品領(lǐng)域合作伙伴一起為這些晶格結(jié)構(gòu)開發(fā)多種應(yīng)用。項(xiàng)目還將得到不倫瑞克技術(shù)大學(xué)微技術(shù)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(yīng)用
RPM于2018年采用DLS技術(shù)，使公司成為歐洲首批提供Cabon 3D技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)之一。RPM認(rèn)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(yīng)用系列組件，標(biāo)志著技術(shù)使用的轉(zhuǎn)變。RPM計(jì)劃在未來幾年里專注于建立3D打印晶格材料、設(shè)計(jì)規(guī)則和應(yīng)用知識(shí)庫，并在這一領(lǐng)域成為制造領(lǐng)導(dǎo)者。此外，RPM還將利用Carbon推出的自動(dòng)晶格生成工具Design Engine繼續(xù)對(duì)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(shí)間來打印。
RPM的銷售醫(yī)學(xué)博士Claus Thomy博士說：“這筆贈(zèng)款側(cè)重于DLS，因?yàn)镃arbon將批量生產(chǎn)置于開發(fā)最前沿。機(jī)器工藝的材料選擇和可靠性使我們能夠以具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本點(diǎn)覆蓋各種新的業(yè)務(wù)。更重要的是，由于材料經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化和驗(yàn)證，第二次、第三次和第二十次的打印方式也完全相同?！彼€補(bǔ)充道：“當(dāng)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(shí)，我們正在建立真正卓越的產(chǎn)品解決方案。”
展開 
COMSOL多晶體Voronoi泰森多邊形晶體取向力學(xué)分析
多晶材料幾何模型模型構(gòu)建采用的CAD Voronoi V2.3版本，可分圖層對(duì)晶格進(jìn)行繪制，分別導(dǎo)入有限元軟件后實(shí)現(xiàn)三種晶體取向的差異性。
將構(gòu)建好的Voronoi多晶體幾何模型文件導(dǎo)入到COMSOL內(nèi)，構(gòu)建好晶體結(jié)構(gòu)模型后，進(jìn)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(guān)系為：晶格邊界<<藍(lán)色<<黃色<灰色，其中藍(lán)色材料的楊氏模量比黃色小一個(gè)數(shù)量級(jí)，黃色比灰色小一倍，由此來區(qū)分不同晶格取向上的力學(xué)性能的差異。
對(duì)Voronoi晶體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行簡(jiǎn)單的單軸壓縮模擬，并生成應(yīng)力分布圖。
通過應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力大的位置主要出現(xiàn)在楊氏模量更大的灰色晶格上，這與一般的力學(xué)常識(shí)相一致。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)較大的晶格邊界應(yīng)力，這將導(dǎo)致晶格間的劈裂。
同時(shí)進(jìn)行同取向晶體單一材料模擬對(duì)比分析，應(yīng)力圖如下：
同材料Voronoi晶體的軸壓試驗(yàn)中，不同晶格之間的應(yīng)力無明顯差異性，無晶格取向的晶體力學(xué)性能更趨向于各項(xiàng)同性材料，因此多晶結(jié)構(gòu)的差異主要在于晶體取向的不同。
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聽小骨金剛石-TPMS微晶格的力學(xué)性能。
綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)通過研究多節(jié)海星的生物礦化骨骼，發(fā)現(xiàn)了一種天然陶瓷的雙尺度微晶格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有原子級(jí)方解石（即碳酸鈣的穩(wěn)定形態(tài)）和微米級(jí)金剛石三重周期性最小表面（金剛石-TPMS）幾何形狀，以及晶格級(jí)結(jié)構(gòu)梯度和原子級(jí)位錯(cuò)缺陷。這種獨(dú)特的雙尺度微晶格提供了多種有效策略包括晶體共取向、晶格幾何梯度和通過微晶格位錯(cuò)抑制解理斷裂，來實(shí)現(xiàn)高剛度、強(qiáng)度和損傷容限。該工作為開發(fā)高性能輕質(zhì)且高強(qiáng)度的陶瓷復(fù)合材料帶來了曙光。
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展開 3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：材料疲勞容限設(shè)計(jì)與制造的力學(xué)性能綜述
3D打印技術(shù)參考曾詳述金屬材料的缺陷種類及其對(duì)疲勞性能的影響，在此我們不再展開討論（請(qǐng)查看延伸閱讀）。幾何缺陷也會(huì)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為產(chǎn)生影響，為了在疲勞預(yù)測(cè)過程中采用更準(zhǔn)確的實(shí)際晶格結(jié)構(gòu)，可以使用CT掃描技術(shù)，在此方面北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)有詳細(xì)研究。
北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)3D打印的晶格結(jié)構(gòu)和拉伸試樣
很多有關(guān)晶格材料的文獻(xiàn)表明，大多數(shù)疲勞設(shè)計(jì)方法都依賴于實(shí)驗(yàn)，而這些實(shí)驗(yàn)是為處理選定的晶格結(jié)構(gòu)和材料而定制的，既費(fèi)時(shí)又昂貴。另一方面，現(xiàn)有的理論方法似乎缺乏準(zhǔn)確性，主要是因?yàn)樗鼈兊暮?jiǎn)化方法可能無法捕捉晶格結(jié)構(gòu)中的真實(shí)應(yīng)力分布。在沒有殘余應(yīng)力的情況下，可能影響晶格結(jié)構(gòu)疲勞行為的變化源除了上面提到的幾點(diǎn)外，還可能包括晶格結(jié)構(gòu)中的支柱連接，這也是本綜述關(guān)注的重點(diǎn)。
多孔材料示例：（A）閉孔泡沫（B） 開放式單元格（C） 規(guī)則點(diǎn)陣
設(shè)計(jì)和制造具有具有足夠抗疲勞的材料并能夠可靠預(yù)測(cè)其安全壽命是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
該綜述文章總結(jié)了大量基于晶格結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)，以確定這些結(jié)構(gòu)的潛在和主要局限性，特別強(qiáng)調(diào)它們?cè)诔惺苎h(huán)疲勞載荷時(shí)的情況。研究人員的目的是“填補(bǔ)空白”，全面了解晶格結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵特征——疲勞如何嚴(yán)重降低其整體結(jié)構(gòu)完整性，并就如何解決這一問題提供完整和最新的技術(shù)。
展開 量子材料跨界拓展固態(tài)離子導(dǎo)體
該研究首次發(fā)現(xiàn)，鋰離子在偏壓誘導(dǎo)下能夠大量注入鈣鈦礦材料晶格，并同時(shí)引發(fā)Ni3+離子d軌道上的電子摻雜生成Ni2+，引發(fā)莫特轉(zhuǎn)變（Mott Transition），并導(dǎo)致載流體子濃度指數(shù)級(jí)下降（電子電阻率變化幅度為~108）。而引入的鋰離子又能夠在晶格中自由移動(dòng)，整個(gè)摻雜過程表現(xiàn)出良好的可逆性。
電場(chǎng)下鋰離子引發(fā)SNO莫特轉(zhuǎn)變的示意圖
除了發(fā)現(xiàn)鋰離子能誘發(fā)該類材料相變及在其中自由移動(dòng)的現(xiàn)象以外，該工作亦結(jié)合多種同步輻射先進(jìn)表征手段和基于第一原理的分子動(dòng)力學(xué)模擬來分析鋰離子在該材料中傳導(dǎo)及引發(fā)相變的機(jī)理。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne national lab）先進(jìn)光源(Advanced Photon Source)的物理學(xué)家Hua Zhou和Chengjun Sun研究員等為材料提供了同步輻射X射線吸收譜（XAS）、X射線反射率(XRR)和X射線衍射譜(XRD)表征測(cè)試及深度分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Li離子進(jìn)入-離開材料過程中，會(huì)引發(fā)Ni離子d軌道電子填充的變化，揭示了鋰離子誘發(fā)向絕緣相相變過程中的電子軌道填充機(jī)理。且材料晶格會(huì)發(fā)生相應(yīng)的膨脹-收縮。摻雜的鋰離子填充在鈣鈦礦的A-B位陽離子之間的間隙位上（interstitial site）。而在多次嵌入和脫出循環(huán)之后，材料的晶格結(jié)構(gòu)也基本保持的較為完整。
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