金屬晶體的案例
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。
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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 【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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設計仿真 | Digimat應用于金屬材料的仿真
Digimat能夠幫助用戶預測多相材料的宏觀性能，支持的材料范圍涉及包含連續纖維、長纖維、短纖維、纖維編織、晶須、顆粒、片層等所有增強相和包括樹脂基、金屬基和陶瓷基在內的多類基體材料。廣泛的軟件接口可以為幾乎所有的主流有限元程序提供材料模型或進行多尺度的耦合分析。多尺度的分析結果使得對材料和結構的失效預測更加準確。
01 Digimat用于金屬晶體塑性
Digimat可以使用具有微觀結構細節（紋理、晶粒尺寸和形態、相等）的晶體塑性（CP）進行各向異性行為模擬，根據單次拉伸試驗數據校準模型。校準的模型可以作為虛擬實驗室來測試復雜的載荷條件，并確定高級各向異性宏觀屈服函數的屈服參數，預測 Lankford 值（r 值）。
圖2. 金屬晶體塑性及成型應用
Digimat用于成型的晶體塑性優勢：
1、高級各向異性/正交各向異性屈服函數: Barlat, Vegter等；
2、通過虛擬RVE測試生成更高應變的材料數據；
3、適用于疲勞性能；
4、考慮加工生成的材料微觀結構對材料性能和行為的影響。
02 Digimat用于金屬缺陷分析
使用Digimat，基于RVE的鑄件或增材制造零件宏觀行為孔隙率測試，可以預測結構/制造仿真中使用的宏觀特性（拉伸、疲勞），研究損傷起始和傳播。
圖3. 帶孔洞的金屬RVE單胞力學性能計算
03 Digimat用于雙相鋼性能
針對雙相鋼（DP，包含馬氏體+鐵氧體），通過各向同性硬化行為預測包辛格效應以及動力學參數。
圖4. 不同比例雙相鋼的RVE單胞模型和包辛格效應仿真結果
與實驗研究相比，雙相鋼不同預應變水平的包辛格效應預測。
圖5.
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
圖4 Cu多晶拉伸過程晶體塑性有限元模型示意圖
為了揭示多晶變形過程中孿晶對宏觀力學響應的影響，圖5給出了Cu多晶拉伸過程中宏觀塑性行為的演化結果。進一步分析Cu多晶和單晶變形過程中孿生機制對應變硬化行為的影響，圖6給出了Cu單晶和多晶拉伸變形過程的應變硬化率演化結果。
圖5 Cu多晶拉伸變形過程中真應力、位錯密度和孿晶體積分數隨應變的演化曲線
圖6 不同取向Cu單晶和多晶變形過程中的應變硬化演化曲線
為了直觀反映位錯滑移和孿生機制對Cu多晶變形過程中宏觀塑性行為影響，圖7給出了Cu多晶加載結束時對應的位錯密度和孿晶體分布結果。，圖8給出了Cu多晶塑性變形過程中不同應變時對應的孿晶體積分布結果。可以看出Cu多晶塑性變形過程中受晶體取向、晶粒形狀及晶粒間交互作用等因素影響，各晶粒內位錯密度分布不均勻，位錯密度主要集中在晶界處。孿晶也首先在晶界處形成，隨著應變增加，晶粒間交互作用逐漸增強，在晶粒間交互作用下不利于孿生取向的晶粒也逐漸形成孿晶。
圖7 多晶Cu拉伸變形后對應的位錯密度和孿晶體積分布
圖8 多晶Cu拉伸變形過程中不同應變對應的孿晶體積分布
相關研究成果以“孿生誘發軟化與強化效應的Cu晶體塑性行為模擬”為題發表在金屬學報上（第58卷第3期2022年3月）,論文第一作者為郭祥如，通訊作者是申俊杰。
論文鏈接：
https://doi.org/10.11900/0412.1961.2021.00230
展開 表面處理技術分享（第十六講：納米噴鍍技術原理與工藝簡述）
3、成膜機制與過程
納米噴鍍的成膜過程是一個復雜的物理化學過程，涉及分子吸附、化學反應、晶體生長等多個階段。
3.1 分子吸附階段:
金屬離子和還原劑分子通過物理吸附和化學吸附作用附著在基材表面。物理吸附主要通過范德華力、靜電相互作用等弱相互作用力實現；化學吸附則形成共價鍵、離子鍵或配位鍵等強化學鍵。
3.2 化學反應階段:
吸附在表面的金屬離子與還原劑發生氧化還原反應，金屬離子獲得電子還原成金屬原子。例如，銀離子（Ag+）在還原劑的作用下被還原成銀原子（Ag），反應方程式為：Ag+ + e- → Ag 。
3.3 晶體生長階段:
還原后的金屬原子在基材表面聚集形成晶核，隨著反應的進行，晶核逐漸長大并相互連接，最終形成連續的金屬薄膜。這個過程遵循特定的生長模式，包括層狀生長、島狀生長和混合生長模式 。
納米噴鍍形成的鍍層具有獨特的微觀結構。鍍層由納米級的金屬晶體組成，晶體粒徑通常在50-200納米之間。這種納米晶結構賦予了鍍層優異的性能，如高硬度、高耐磨性、良好的導電性和導熱性等。
整個成膜過程受到多種因素的影響，包括反應溫度、pH值、溶液濃度、反應時間等。通過精確控制這些參數，可以實現對鍍層厚度、結構和性能的精確調控。
二、工藝流程
三、不同基材的工藝差異
注：導電差的基材需額外做導電處理；表面曲率大的基材需調整噴槍角度和移動速度，確保噴鍍均勻。
結語：
納米噴鍍技術的核心在于利用納米材料的特殊性質，通過氧化還原反應在物體表面形成納米級金屬晶體，這些晶體對光具有強烈的反射作用，從而形成光亮的納米鏡面效果。
展開 金屬所《Scripta》：FCC-Zr相生長應力誘導第二相晶體堆垛層錯！
2018年，劉承澤等人在對Zr-4合金中Zr(Fe,Cr)2第二相研究時，首次討論了晶界拖拽作用下，附近第二相晶體結構的轉變機制（相關文獻見Nanoscale,10 (2018): 2249-2254）。除與晶界之間發生交互作用之外，第二相與其它析出相之間，以及不同第二相之間同樣可能會存在相互作用，但是類似的研究工作卻鮮有報道。
層錯的產生通常認為是由于晶體中平行于層錯面的同步剪切導致的，而這一剪切力的來源，一直是科研人員的討論的話題。近期，中國科學院金屬研究所李閣平課題組研究發現,鋯合金中與FCC-Zr相直接接觸的Zr3Ge第二相上往往包含層錯。該團隊人員深入研究發現，由于第二相和FCC-Zr相之間存在特定的位向關系，FCC-Zr相晶粒長大產生的生長應力作用于第二相上，恰好提供了Zr3Ge第二相中平行于{110}層錯面上同步剪切發生的驅動力，這一發現為理解層錯形成以及不同析出相之間的交互作用提供了全新的思路。
展開 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 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 
淺談熱處理工藝在提高緊固件制造水平中的作用
3.2提高金屬材料的斷裂韌性
金屬材料的斷裂韌性指含有裂紋的材料，在外力作用下抵抗裂紋擴展的性能，提高金屬斷裂韌性的關鍵是要減少金屬晶體中位錯，使金屬材料中位錯密度下降，從而提高金屬強度、而減少金屬晶體中位錯的一種重要方法，就是細晶強化，其原理是通過細化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移，從而提高材料的韌性，金屬組織的細晶強化的過程實際上就是金屬熱處理。
3.3減少金屬材料的應力腐蝕開裂
腐蝕開裂是指金屬在物理力與化學成分侵蝕下產生了不恰當的斷裂。通常引起這一狀態的力是殘余拉力，這個力的形成時間是在金屬焊接的時候，在進行升溫加熱或冷卻時，引起溫度的變化導致內部組織發生改變，同時引起其他力的變化。
淬火內應力主要有熱應力和組織應力兩種。工件最終變形或開裂、應力腐蝕都是這兩種應力綜合作用的結果。工件加熱或冷卻時由于內外溫差導致熱脹冷縮不一致而產生的內應力叫做熱應力;工件在冷卻過程中，由于內外溫差造成組織轉變不同時性，引起內外比體積的不同變化而產生的內應力叫做組織應力。在熱應力的作用下，由于冷卻時金屬表面溫度低于心部，收縮表面大于心部而使心部受拉應力;組織應力變化的最終結果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與熱應力相反。金屬熱處理的熱應力與組織應力疊加的結果就是材料中的殘余應力，正是其存在造成了應力腐蝕開裂。
熱處理工藝在緊固件制造中，對其性能的改變有較為突出的作用。若將熱處理與冷鐓、冷擠、冷沖、部分切削加工密切配合，能夠對緊固件的精度以及成品率提升一個較高的水平。
展開 香港大學AFM綜述：溶液處理的金屬氧化物納米晶作為有機和鈣鈦礦太陽能電池的載體傳輸層
【總結】
在這篇文章中，作者綜述了溶液處理金屬氧化物納米晶體的合成方法，以及它們在OSCs和PVSCs中作為CTLs的性能。然而，科研人員需要做出更多的努力來促進它們在光伏器件中的應用。
1)制備具有良好設計的尺寸和形貌的金屬氧化物納米材料是在各種應用中的重要挑戰，尤其是在光伏應用中。當材料尺寸減小到納米級時，它們表現出獨特的性能，這與它們的塊體對應材料不同。這種特性使得納米材料對獨特的應用具有吸引力，同時也使其合成變得復雜。盡管各種技術已經被應用于金屬氧化物納米晶體的合成，但它仍然需要根據其應用開發新的合成方法。此外，為了控制MONCs的尺寸和形貌，需要更好地理解新合成方法的形成機理和反應條件的控制。
2)用于穩定金屬氧化物納米晶體的表面配體需要滿足溶液加工性和電荷傳輸方面的需求。具有長烴鏈的配體是絕緣的，例如乙二醇，這限制了它們作為CTLs的應用。因此，科研人員已經提出了許多配體交換策略，包括與較小分子的配體交換、可熱降解配體或金屬硫族化合物絡合物，以解決這個問題。在配體交換策略上的更多的努力有助于在CTL應用中實現氧化物納米晶體。因此，科研人員仍然迫切需要開發有效的方法來同時改善金屬氧化物納米晶體在溶液中的加工性能和相應薄膜的電荷傳輸。
3)良好的CTLs需要良好的成膜性能，以確保盡可能均勻的覆蓋。此外，位于活性層頂部的CTLs報道有限。因為它是與濕度和氧氣接觸的層，也是與活性層接觸的層，所以它對化學降解的抵抗力以及保證穩定的電子界面是必要的。復合材料/復合層可以被認為是應對這一問題的有效策略，沿著這些思路的進一步研究將有助于提高效率和穩定性。
總的來說，作者認為基于氧化物的CTLs對OSCs和PVSCs都非常有利，主要是因為它們具有極高的穩定性、良好的電性能和潛在的透明性。
展開 鍛壓模具與注塑模具區別
鍛壓模具是對延展性較好的金屬材料毛胚進行加工。
注塑制件精度較高，一般直接用于產品。
鍛壓制件粗糙，金屬晶體細膩，纖維連續，一般用于重要受力零件的毛胚制造。
注塑模是將塑料加熱到熔融狀態（粘流態），經注射、保壓、冷卻成型。
鍛壓模具是將金屬加熱但并非熔融，然后多次擠壓、鍛打成型。
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
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