晶體材料的案例
華中科技大學朱錦濤、張連斌團隊在光子晶體彈性體材料領域取得進展
光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產生的光子帶隙結構，具有調控光傳播的作用。當可見光通過光子晶體時，特定頻率的光會受到光子帶隙的調制，導致部分可見光不能通過該材料直接被反射，從而使光子晶體產生特定的結構色。結構色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結構從而展現出鮮艷的結構色。
將光子晶體與聚合物彈性體結合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學傳感器等領域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時又避免不同觀測角度帶來的色彩不一致的問題仍然是該領域的一大挑戰。針對上述問題，華中科技大學化學與化工學院朱錦濤、張連斌團隊設計制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無角度依賴結構色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機械損傷以及不同觀測角度色彩不一致的局限。相關成果近期發表在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
圖 1基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無角度依賴的結構色彩。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復合，通過噴涂或快速溶劑揮發的方法誘導二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結構的光子晶體材料，該材料展現出鮮艷的結構色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調控其結構色彩。該材料還表現出無角度依賴的結構色，即從不同的角度觀察其顏色不發生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結構色可發生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復到之前的結構色，因此可用于可視化應力傳感領域。
展開 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
圖2.9 晶體塑性模型輸出參數對照圖
圖2.10 后處理PEEQ和SDV121的分布
FCC晶格材料一共有12組滑移系，我們如果想查看1號滑移系的強度和剪切應變，可以輸出的SDV1和SDV109，結果如圖2.11所示，可以觀察到各晶?；葡档拈_動情況。
圖2.11 后處理SDV1和SDV109的分布
3. BCC晶格材料的變形模擬-單晶體
所有模塊的設置與第1節"FCC晶格材料的變形模擬-單晶體";的創建過程類似，只是需要修改BCC晶格材料的材料參數。
材料模型
圖3.1 晶體塑性模型材料參數對照圖
BCC晶格材料我們使用論文《基于CPFEM的TA15鈦合金高溫塑性變形研究》里研究的β-Ti，其160組材料參數如下：
圖3.2 β-Ti晶體的160組晶體塑性材料參數
注意，以上參數中，Props(1-21)是晶體材料的彈性常數，彈性常數的獨立張量元數目至多只有21個。對不同的晶系的晶體(7大晶系)，因為對稱性的關系，其獨立的彈性常數是確定的。晶系的對稱性越高，獨立的張量元數目越少。六方晶系(HCP)，獨立的張量元數目有5個C11 C12 C13 C33 C44，立方晶系(FCC/BCC)，獨立的張量元數目有3個C11 C12 C44。
圖3.3 160組晶體塑性材料參數的彈性部分
Props(25-56)是晶體材料的滑移系參數。Props(25)是滑移系族的個數，對FCC晶格材料有12個滑移系，只有1個滑移系族{111} <110>；對BCC晶格材料有48個滑移系，有3個滑移系族{110} <111>、{112} <111>、{123} <111>。
其余的材料參數在圖3.1中有解釋，將彈塑性參數的數值按照論文的數據進行設置，并將20*8的矩陣其轉化為160*1的矩陣后，定義給材料模型。
展開 材料的理論斷裂強度 附晶體材料強度與斷裂微觀理論下載
材料力學低碳鋼拉伸試驗中，材料的變形分為四個階段：彈性階段、屈服流動階段、強化階段和徑縮斷裂階段，如圖1，其中當材料經過d點后，材料很快發生斷裂，該點對應的應力σb即為強度極限。但這只是實驗觀察到的現象，它與材料的理論斷裂值還有很大的區別。
假設材料的斷裂是由于原子間距被拉的太遠，超過了極限從而發生的斷裂。我們知道，原子之間的力與原子間的距離存在一定的關系，當原子靠的特別近的時候，原子間存在排斥力，當原子離的比較遠的時候，原子間存在相互吸引力，在某一距離下，原子間的作用力為0，即平衡位置。
現在我們來考慮原子間的力與應力的關系，根據應力的定義
顯然，曲線上的最大值σm即代表原子間的最大結合力——理論斷裂強度，即在理論上認為材料應力超過σm時將被拉斷。作為一級近似，該曲線可用正弦曲線表示。
而實際上，對于純鐵的抗拉強度是只有170～270MPa左右，我們熟知的Q235鋼，其抗拉極限為375～460MPa，Q345鋼的抗拉強度約是490-620MPa，遠遠低于材料的理論斷裂強度。主要原因在于公式(11)表示的是理想材料的斷裂強度，也就是說材料中沒有任何的缺陷。但這是不可能的，材料在冶金、鑄造、加工等過程中難免會產生一些初始缺陷，造成應力集中從而大大降低了材料的強度缺陷。
下載地址：晶體材料強度與斷裂微觀理論
展開 武漢大學汪成教授團隊：響應性多孔框架晶體材料研究取得新進展
材料領域頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials，影響因子21.95）近日在線發表武漢大學化學與分子科學學院汪成教授課題組，在響應性多孔框架晶體材料方面的最新研究成果。
論文題為《鋯金屬-有機框架中光誘導電子轉移的調控：固態熒光分子開關和熒光增強探針的構筑》（Tuning the Photoinduced Electron Transfer in a Zr-MOF: Toward Solid-state Fluorescent Molecular Switch and Turn-on Sensor，DOI: 10.1002/adma.201802329），第一作者為博士生桂波，通訊作者為汪成教授及中科院化學研究所張德清研究員，楊楚羅教授團隊在熒光測試方面提供了幫助。該研究獲得了國家自然科學基金、湖北省創新團隊及武漢大學自主科研等經費的資助。
汪成教授課題組一直致力于構筑響應性多孔框架晶體材料的構筑并探索其在不同領域中的潛在應用。在先前的工作中，他們從有機分子開關設計、合成出發，通過固載到金屬-有機框架（MOFs）的骨架中，實現了有機分子開關在固態下的高效可逆調控（《材料化學》，Chem. Mater. 2015, 27, 6426）和構筑了門控可控MOFs藥物釋放體系（《科學進展》，Science Adv. 2016, 2, e1600480）。最近他們還受邀撰寫綜述，系統闡述有機分子開關固態調控理念（《大分子快訊》，Macromol. Rapid Commun. 2018, 39, 1700388）。
展開 
huang晶體塑性umat耦合Johnson-cook 損傷模型，實現晶體材料彈-塑-損傷模擬分析
材料參數必須在轉變溫度或低于轉變溫度時測量。
損傷的發展可以公式化為:
公式中分母表示單元失效對應的Johnson-cook等效塑性應變，公式為：
分子表示為等效塑性應變增量，公式為：
公式中可以看到，損傷隨著塑性應變的增大不斷累積，直至材料的失效，通過損傷變量進一步與晶體材料的屈服面或者彈性性能的退化可以實現材料彈-塑-損傷的耦合模擬，當不對其進行耦合時，可以用來判斷材料的失效狀態與相關參數的關系。
參考文獻：《Crystal plasticity finite element modeling and simulation of diamond cutting of polycrystalline copper》編寫對應的材料子程序。在huang晶體塑性程序的基礎上，調用johnson-cookd損傷函數，編寫過程中，需要自定義響應的狀態變量，如等效塑性應變，等效塑性應變率，損傷變量，以及是否進行損傷單元的刪除分析。其中等效塑性應變增量的計算，通過滑移系統的分切應力與對應滑移系統剪切應變的乘積絕對值之后與等效應力的比值獲得。并最終實現損傷的表征，采用umat子程序進行編寫。
展開 江雷院士團隊在光子晶體驅動材料研究取得新進展
驅動材料因能用于智能機器人、微型生物動態監測等領域而被廣泛關注。自然界中比如小麥、松果等很多植物種子的脫落過程就是受濕度變化誘導不均質的體積變化引起。傳統驅動材料多是將驅動層和支撐層連接在一起，基于驅動層在外界作用下的體積變化引起驅動。但雙層材料驅動器因其雙層結構間粘附力差在多次驅動過程中易分離等問題很難多次重復使用，為解決該問題，單一化學組成梯度型驅動材料應運而生。
江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內部的梯度的溶劑去浸潤過程實現了驅動現象，光子晶體膜發生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅動性能較差，很難滿足應用需求。隨后通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中并隨后進行光聚合，制備了具有連續彎曲/去彎曲行為的溶劑響應驅動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
近期，理化所光子晶體驅動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師范大學教授陳波合作，通過梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導致其化學組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結構色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅動行為可以通過薄膜的化學組成、孔洞大小及溶劑種類來調節。
展開 COMSOL晶體斷裂基于維諾圖Voronoi泰森多邊形建模
在外部荷載及內力效應的作用下，晶體材料將發生斷裂破壞，按晶體材料斷裂時裂紋擴展路徑的差異，可將晶體的斷裂分為穿晶斷裂及沿晶斷裂兩種斷裂形式。
穿晶斷裂中裂紋穿過晶體的晶粒內部，斷裂面較為粗糙；沿晶斷裂中裂紋沿晶界擴展，可以清楚地看到一個個晶粒，晶粒面比較光滑。
在COMSOL中對兩種斷裂形式進行模擬，模型采用Voronoi泰森多邊形構建晶體的晶粒組織，幾何模型采用CAD Voronoi插件進行參數化建模生成。
插件采用合理的多邊形約束模式，可使得泰森多邊形晶粒結構生成大小均勻，且可避免存在三角形晶體及角度過小的情況。模型對晶格及邊界分別定義不同的材料參數，以實現開裂模式上的差異。力學模型采用軸向拉伸模擬，左側邊界設置為輥支撐，右側設置水平向的位移。
COMSOL晶體材料的穿晶斷裂及沿晶斷裂位移：
COMSOL晶體材料的穿晶斷裂及沿晶斷裂裂縫擴展：
需要進行模擬的可在下面鏈接下載Voronoi的模型樣圖，CAD格式的，需要自己導入的COMSOL內：
CAD Voronoi
展開 基于晶體塑性有限元（CPFEM）的鈦合金圓棒拉伸過程模擬
作者：辭殤
關鍵詞：CPFEM；鈦合金；單軸拉伸；織構極圖；孿晶
晶體塑性有限元是一種結合了晶體塑性理論和有限元方法的數值模擬技術?。這種方法考慮了晶體材料的各向異性、滑移系統的開動和相互作用、以及變形過程中的硬化效應。它主要用于分析和預測晶體材料的塑性變形行為，特別是在微觀尺度上的變形機制。
晶體塑性有限元在材料科學和工程領域有著廣泛的應用，特別是在金屬加工、航空航天、汽車制造和生物醫學等領域。通過這種技術，研究人員和工程師可以更好地理解材料的力學行為，從而開發出更輕、更強、更耐用的材料和產品。此外，晶體塑性有限元仿真還能夠考慮材料的微觀結構特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系統的活動，從而能夠預測材料在細觀尺度上的織構演化。
利用CPFEM方法對鈦合金圓棒拉伸過程進行模擬，使用UMAT子程序以及Abaqus有限元軟件作為晶體塑性有限元分析的實現方式。并且，在一些復雜工藝條件下如切削、軋制、沖壓等，CPFEM方法同樣適用，能夠模擬材料變形過程中的非線性行為和動態響應。
在晶體塑性有限元中，首先在Abaqus中建立了單軸拉伸有限元模型如圖1所示，材料被建模為包含大量晶粒的集合體如圖2所示，每個晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個晶粒的變形過程均考慮了滑移和孿晶的變形機制。
圖1 單軸拉伸有限元模型示意圖
圖2 單軸拉伸晶體塑性模型示意圖
通過有限元方法，可以計算出在給定拉伸載荷下，這些晶粒如何相互作用，以及它們如何隨時間變形。這種方法能夠提供關于晶體材料內部應力、應變和變形機制的詳細信息，有助于理解材料在受力時的響應，并優化材料的設計和加工過程。圖3所示為單軸拉伸過程應力云圖，圖4所示為單軸拉伸過程孿晶云圖。
展開 基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構演化------案例十五 ￥199
? 基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構演化
案例實操
1，基于dream3d管道生成長寬高為32*32*32的多晶模型，共包含322個晶粒
2，對于fcc，bcc材料分別施加工程應變為50%的拉伸和壓縮載荷
3，得到材料的應力應變曲線和變形后的取向分布情況
材料的初始取向分布
初始的晶體幾何模型
拉伸變形后材料的等效應力分情況
拉伸變形后等效塑性應變分布情況
拉伸變形后的取向分布
模型的應力應變曲線
壓縮變形后等效應力分布情況
壓縮變形后等效塑性應變分布情況
壓縮變形后的取向分布
平面應變壓縮變形后應力分布
平面應變壓縮變形后等效塑性應變分布
平面應變壓縮的取向分布（相比于vpsc軋制織構不明顯）
展開 超聲速螺位錯..
日前，中科院力學所、上海交大和浙江大學的團隊在晶體材料中的基本缺陷 – 螺位錯在變形過程中的超聲速現象研究方面獲得重要進展。他們發現面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"為題發表在物理評論快報上（Physical Review Letters 122,045501 (2019)）。
金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質，特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度–應力關系尚不明確。傳統理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動，但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析，發現銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩定地以聲速滑移，并都能超聲速運動(超過三個各向異性剪切波速，如下圖中的三個馬赫錐所示)。由于螺位錯運動過程存在結構不穩定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發現。同時，他們的工作表明，位錯的運動還與非施密特應力(不貢獻分解剪應力RSS)有關，與傳統施密特原理相悖。這項研究推翻了傳統連續介質力學中對超聲速位錯的認知，確認了超聲速螺位錯的存在。該研究結果為晶體材料的動態力學行為，以及孿晶界面的位錯運動提供更深入的理解。
各向異性晶體銅中超聲速螺位錯所產生的主要剪應力場（左側）以及其在超聲速運動時，突破三個剪切波過程中產生的馬赫錐
力學所彭神佑博士為論文第一作者，魏宇杰研究員為通訊作者，論文作者還包括上海交大金朝暉教授，浙江大學楊衛院士。
展開 美國曾花了15年才突破中國的這項技術封鎖！
美國APC公司發表研制成功KBBF晶體聲明
2016年2月早些時候，美國APC（先進光學晶體）公司網站發布聲明，宣布該公司與克萊門森大學合作，用15年的時間終于研制出氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF），這種激光晶體能夠用于制造深紫外激光器。聲明中說，2009年中國開始禁止向國外提供這種具有戰略意義的晶體。該公司聲明稱，他們制造的晶體可以與中國制造的晶體相媲美，在部分關鍵技術領域超過中國同類材料。聲明中表示，這種晶體將提高美國探測國防威脅的能力，同時也將為科學研究和測量技術提供新的能力，這種材料被認為是“游戲規則改變者”。
不過，中國在這個領域并沒有坐等美國的趕超。據中科院網站報道，2015年8月，中國福建物構所發現新型無鈹深紫外非線性光學晶體材料LSBO。報道稱，新發現的LSBO晶體有望成為下一代深紫外非線性光學晶體的優秀候選材料。
2009年美國《自然》雜志文章《中國藏起了這種晶體》報道中國禁運KBBF晶體
美國APC公司網站上發表的聲明稱：KBBF是一種非線性光學晶體材料，它能夠將激光轉化為史無前例的176納米波長（深紫外）激光，從而可以制造出深紫外固體激光器。中國花費了15年時間和數以百萬計的美元才研制出世界上第一塊KBBF晶體，這是由中國科學院陳創天院士領導的研究組（1990年發現）制造出來的，中國最初向全世界的研究者開放提供KBBF晶體。然而，到了2009年，中國意識到這種晶體的戰略意義，隨即停止對外出口。美國APC公司（聯邦國有企業）與克萊門森大學合作從當時開始研制這種晶體，到今日APC公司成為了美國國內唯一生產這種戰略性材料的企業。APC公司的KBBF晶體現在已經經過了測試和評估，并展示出了可與中國制造的同類產品相媲美的性能，并且在部分領域有所超越，這將大幅度降低這種材料的成本。
展開 
ABAQUS三維Voronoi晶體幾何建模
材料晶體塑性理論與細觀尺度上晶體幾何模型相融合的模擬方法為探究材料在塑性變形過程中的行為機制以及晶體材料優化開辟了新途徑。本案例演示在CAD軟件內通過Voronoi建立晶體三維模型，并將模型導入到Abaqus CAE內，完成晶體材料的有限元建模。
在AutoCAD軟件內，采用CAD_Voronoi V1.0.1插件建立晶體結構三維模型，并將整個模型導出為.iges格式文件備用。
CAD_Voronoi V1.0.1插件
將導出的Voronoi模型文件以部件的形式導入到ABAQUS內。
插件可建立包含晶界的模型，在Abaqus內將晶格及晶界分別賦值不同材料。
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。
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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009 – COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅模型文件） ￥40
009 - COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導（僅包含模型文件，40元）
基本介紹：
主要內容：根據發表在Journal of Modern Optics上的文獻《A novel proposal for all-optical compact and fast XOR/XNOR gate based on photonic crystal 作者：Golnaz Tavakoli等》，用COMSOL重復其中的圖2；
計算所需的內存：8 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)；
涉及的內容：組件耦合-最大最小值、組件耦合-積分、自定義變量、非線性材料（Kerr材料）、完美匹配層、散射邊界條件、參數化掃描 等；
繪制了：電場模、電場z分量、光強分布、折射率分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，基本結構是三角晶格二維光子晶體波導。在兩個平行波導之間制造一個“><”形狀的耦合區域，耦合區域內部的介質柱替換為一種 Kerr 非線性材料。
Kerr 非線性材料的折射率與所處位置的光強有關，可表示為：
其中
光從 A 端口入射，由于 Kerr 非線性材料的折射率與光強有關，所以光經過“><”形耦合區域后，入射光強較大時光主要從 B 端口輸出，而入射光強較小時光主要從 D 端口輸出。
計算的內容和結果：
1、當入射光強較小時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
2、當入射光強較大時，電場z分量分布。左：論文中的結果；右：本案例的結果
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，也不附帶答疑指導。
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