晶体相场方法在纳米裂纹扩展与韧脆断裂领域的研究进展

进入21世纪,计算机数值模拟技术在科学研究中的作用越来越突出,它与实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要介绍裂纹研究的现状和宏观断裂力学存在的尺度局限性,并对近年来发展的原子级空间分辨尺度的晶体相场(PFC)模拟方法所具有的特征尺度范围和特色,以及PFC模型在模拟纳观尺度的材料微结构演化上所具有的优势进行说明。然后,介绍PFC模型在裂纹研究上的主要应用成果,包括以下5个方面:Zener裂纹的形核与扩展、纳米裂尖楔形位错空隙发射、晶列取向对纳米裂纹扩展的韧脆断裂影响、纳米裂纹扩展模式的分类、纳米孔洞裂纹的愈合修复。最后,总结并指出PFC模型的发展方向及其今后在裂纹研究领域应用的新领域和重点方向。

基于微通道多向阀自动化快速提取DNA的研究

核酸的高效分离与纯化对于下游分子诊断具有至关重要的影响.本研究基于磁珠法提取原理设计出快速、自动化核酸提取系统,利用步进电机和注射泵组成的移液装置通过微通道连接多向电磁阀完成核酸裂解、洗涤、洗脱、纯化,通过大鼠主动脉内皮细胞进行核酸提取和扩增,对核酸加热裂解时间进行优化.结果表明,当裂解时间大于4 min时,核酸纯化效果最好,磁珠回收率可达96.5%,紫外吸收光比值大于1.8,同时整个自动化提取仅需8 min.通过微通道多向阀与核酸提取技术纯化后的核酸可直接用于扩增实验,且与手动提取相比聚合酶链式反应的Ct值起跳更早,有利于后续集成核酸检测一体化系统.

金属银对光子晶体光吸收的增强效应

构造含金属银缺陷的光子晶体模型(AB)m AGA(BA)m,利用传输矩阵法理论,通过计算机计算仿真的方式,研究了金属银缺陷对光子晶体光吸收特性的增强效应,发现当光子晶体中引入金属银缺陷后,光子晶体的光反射率和吸收率均得到增强。在400~1400 nm范围内,平均反射率增强到93.87%,平均吸收率增强到6.13%,且吸收率大小和位置可调。随着周期数m或B介质层厚度d B增大,光子晶体的光吸收率均得到增强,当m=5时吸收率高达98.72%,当d B=118.52 nm时吸收率高达99.59%,且吸收峰的位置随m增大向短波方向移动,但随d B增大向长波方向移动。随着光入射角度θ增大,光子晶体的光吸收率先增强到极大值后再逐渐减弱,且吸收峰的位置随入射角θ增大向短波方向移动。随着A介质层厚度d A增大,光子晶体的光吸收率减弱,当d A=73.22 nm时吸收率为98.72%,且吸收峰的位置随d A增大向长波方向移动。含金属银缺陷光子晶体的光吸收特性,可为新型光学吸收器、太阳能电池、滤波器和全反射器等材料研究和选择提供理论参考。

晶体相场法研究小角晶界<100>位错芯的扩展演化

位错扩展对材料的性能有重要影响。本文应用晶体相场(PFC)法模拟体心立方(BCC)晶体的双晶晶界在施加双轴应变下,晶界的<100>位错芯的扩展现象。研究发现,晶界的<100>位错芯区域出现空位,从而给位错芯的扩展提供了条件。研究表明:随着应变量的增加,<100>位错发生分解反应,位错芯从单个刃位错分解成两个混合位错,然后,两个相邻的位错芯扩展成一个整体。这个大位错芯里包括4个柏氏矢量不同的1/2<111>位错,晶界的<100>位错的分解反应与这个1/2<111>位错相关,应变场分析表明<100>位错芯扩展时出现应变集中。

纳米孔洞发射位错的愈合机理研究

孔洞影响材料的使用寿命,因此孔洞愈合的机理研究有重要意义。本研究采用晶体相场(Phase Field Crystal,PFC)模型,研究纳米孔洞缺陷在单轴压应变作用下的微观愈合过程中位错发射的特征。结果表明,在压应变作用下,体系能量累积到某一临界值时,孔洞发生变形并长出凸口,在凸口处位错开始萌生。随着压应变的增加,凸口处位错开始发射,使得孔洞不断缩小,最终通过该方式实现孔洞愈合。上述结果表明,位错发射机制是纳米孔洞愈合的主要形式,对防止材料裂纹的扩展以及提高材料的寿命具有重要的理论意义。

高温预熔化晶界位错的结构组态转变的探究

晶体材料的性能受其内部晶界特性的影响。在高温下,晶体材料在晶界上易发生预熔化。本研究采用晶体相场(PFC)方法模拟高温二维六角晶体的晶界预熔化区在双轴加载作用下的结构演化情况。结果显示,晶界位错会发生配对,形成具有对称结构的位错团,一对位错上下排列,另一对位错左右排列,构成4个位错的组合。随着施加的应变增大,晶界位错预熔化区域横向扩展,其形状最初为棒状,逐渐转化为六边形,再转变成“V”形,最后又收缩为六边形。晶界预熔化区的形状变化伴随着内部位错结构的转变,从而发生位错芯扩展,原来上下配对的位错转变为并行排列的位错,左右排列的位错发生扩展滑移,并在左右两端萌生出一对新的位错。当预熔化区域扩展达到横向最宽时,该区域发射一对位错,随后预熔化区域开始收缩,最后又恢复到初始的形状。上述结果表明,位错结构的组态转变对晶体材料的高温变形机制能产生强烈的影响。

相场方法研究硬质颗粒钉扎的两相晶粒长大过程

采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程,系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大过程的影响.模拟结果表明,第三相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,且极限晶粒尺寸越小.单个第三相颗粒尺寸越大,对晶界钉扎作用越强.但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时,颗粒数目会越多,此时总的钉扎效果会越好,晶粒极限尺寸也越小.若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒,且两种颗粒所占比例相同时,钉扎效果最好.相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合.

韧性材料的微裂纹扩展和连通的晶体相场模拟

采用晶体相场模型研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展和连通的演化过程,分析应变、初始裂口处原子密度等因素对裂纹扩展和分叉的影响。结果表明:初始裂口处原子密度对裂纹扩展有明显的影响;对于双轴拉伸作用,当应变较小时,裂纹扩展不分叉;当应变较大时,裂纹扩展才能出现分叉。在裂纹扩展过程中,体系能量不断降低;当裂纹出现分叉时,体系能量降低更快,这表明裂纹扩展过程中弹性应变能的释放比表面能的增加要快。裂纹在扩展过程中,在分叉处会出现与主裂纹断开的孤立的微小空洞。这些微小空洞将成为新的裂纹萌生之地,它们在应力的作用下不断长大,连成一线,形成新的裂纹分支。同一条直线上的两条初始裂纹在扩展过程中,当裂纹尖端靠近时,尖端相互吸引,裂纹相互连通。本研究所得结果与相关模拟结果和实验结果吻合。

Al-Li合金时效初期的价键分析

运用固体经验电子理论(EET),对Al-Li合金时效初期的若干偏聚晶胞的价电子结构进行了计算。计算结果表明:不包含空位的偏聚晶胞的键络最强键为Al—Al键,其中Al原子的共价半径较Li原子的共价半径要大;而含空位的偏聚晶胞的最强键为Al—Li键,Al原子的共价半径要比Li原子的共价半径要小;在空位存在的情况下,由于Al原子与Li原子的电负性相差明显,促使Al和Li原子结合,倾向形成Al-Li短程序结构偏聚区,这种含空位的短程序结构很可能就是δ′(Al3Li)亚稳相的前兆结构和生长胚胎;由于Al-Li-空位有序偏聚晶胞的Al—Li键络比基体键络要强许多,因此,淬火过程中合金生成的Al-Li-空位偏聚晶胞对合金过饱和固溶体起主要强化作用;后续析出的δ′(Al3Li)亚稳相键络各项异性显著,键络强度明显提高;由于Al3Li与基体共格,其大量均匀弥散析出起到提升基体整体键络强度,同样对合金产生强化作用。

韧性材料的微裂纹扩展与分叉的晶体相场模拟

采用晶体相场方法研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展与分叉的演化过程,分析应变、温度、初始裂口形状等因素对裂纹扩展和分叉的影响.结果表明:对于简单的单向拉伸,应变需要达到一定的临界值,裂纹扩展才会启动.对于二组相互垂直的双轴拉伸作用,当应变达到临界值后,裂纹扩展过程中会发生分叉现象.温度越高,裂纹扩展越快且分叉越多.裂纹在扩展过程中,体系能量不断降低,当裂纹出现分叉时,体系能量降低得更快.在裂纹扩展过程中,有时是会在裂尖处前方出现微小的空洞,类似在裂纹尖端前方出现位错发射情况,这些微小的空洞逐渐扩大连成裂纹.本文所得结果与相关模拟结果和实验结果符合.

晶体相场方法模拟纳米孪晶结构

应用双模晶体相场模型,模拟共格纳米孪晶结构.结果表明:球状晶粒生长成的共格孪晶片层,在共格面上的原子排列有变形,容易出现位错;条状晶粒凝固生长成的共格孪晶界,比用球状晶粒长大生成的共格孪晶界的原子排列整齐.应用晶体相场模型,可以精确计算纳米孪晶带的厚度,设计和控制带内的原子层数,实现人工操纵纳米共格孪晶片层结构,指导实验研究纳米孪晶结构及其与性能的关系.

打造精品实验课程 全面推进实验教学示范中心建设

介绍高校工科物理实验教学在实验课程体系的层次化、实验教学内容的模块化,实验项目的精选与特色;教学手段的计算机多媒体化,以及实验教学管理的网络化等方面进行的改革与探索,创建适应新世纪的大学物理实验教学新体系,全面推进大学物理实验教学示范中心的建设。

Al-Cu合金亚稳相的价电子结构分析

应用固体电子理论 (EET) ,对Al Cu合金时效析出的若干亚稳相的价电子结构进行计算。结果表明 ,在时效初期 ,θ″相中Cu原子处于第七杂阶 ,比金属Cu的原子杂阶低 ,而最靠近Cu原子的Al原子则处于第五杂阶 ;由θ″相溶解形成相θ′时 ,Al原子处于第四杂阶 ,而Cu原子状态发生较大变化 ,从基体的第九杂阶上升到第十三杂阶 ,使得Cu原子的共价电子数有较大幅度的提高 ,因此形成的θ′亚稳相的最强共价键较θ″亚稳相的要强 1倍 。

Al-Cu合金中θ相的价电子结构分析

运用经验电子理论(EET)对Al-Cu合金薄膜析出相θ(Al2Cu)的价电子结构进行计算.结果表明θ相中的Cu-Cu键最强,其次为Al-Cu键,它们的强度都比金属Cu的最强Cu-Cu键要强.Al-Cu合金薄膜互连线的电迁移寿命与在基体晶粒中析出具有强的共价键络的θ相紧密相关.θ相的析出提高了合金强度,延长了合金电迁移寿命.

Al-Ag合金γ相周围无沉淀带形成的机理研究

运用固体经验电子理论(EET),对Al-Ag合金γ相的价电子结构以及γ相与基体的界面能进行了计算。结果表明,沉淀相与基体的界面处能量连续性较差,γ相的表面结合能高于基体的表面结合能,在界面处形成能量势阱。因此结合能大的γ相表面易吸附界面附近基体的Ag原子,引起γ相周围Ag原子的贫乏,出现γ相无沉淀带(PFZ)。

Al-Li-Zr合金的界面原子成键与力学性能

应用固体经验电子理论计算Al-Li-Zr合金中若干析出相与基体的界面原子成键强度和异相界面的界面能。结果表明,δ′相与基体之间的界面电子密度在较低的应力下保持连续,使得δ′相与基体界面的结合较好,起到界面增强的效果;δ相与基体间界面电子密度在一级近似下不连续,使得与基体间界面结合强度较弱,引起界面结合弱化。对于核壳结构的复合相δ′/β′,界面电子密度差较小,且界面能最低,使得δ′相容易在β′相上异质形核长大形成复合δ′/β′相。由此从界面原子成键角度揭示析出相对合金起强弱化作用的原因,及其对合金力学性能的影响。

异常晶粒长大的Monte Carlo模拟方法

采用Radhakrishnan等改进后的Monte Carlo方法,模拟了两种能量结构下的异常晶粒长大过程.研究结果发现,在相同参数下用改进算法模拟异常晶粒长大比Srolovitz和Grest等人的模拟所得到的效率高,而且结果比后者与实际符合得更好.在两种能量结构下,异常晶粒长大的趋势相同,随着J1/J2值的增大,晶粒长大指数有所增加,异常晶粒的体积百分比曲线都出现平台阶段.在相同参数下,第二种能量结构的异常晶粒长大的速率比较快.

计算机模拟技术在材料科学中的应用

针对计算机模拟技术在材料科学中所起的重要作用 ,综合介绍了它的研究范畴和技术类型 ,列举了计算机模拟技术在研究材料的合成和制备、组成和结构、性能测试和分析中的若干应用实例 。

Al-Zn固溶体价电子结构与Spinodal分解反应

运用固体经验电子理论,采用平均原子模型对Al Zn固溶体价电子结构进行计算。计算结果表明:Spin odal分解引起合金固溶体的共价键强度发生较大变化,且可以根据各固溶体相的共价键强度的变化对Al Zn固溶体在室温下发生的Spinodal分解反应所引起的合金硬化以及合金硬度的提高做出合理解释。

微量Sc和Zr对Al-Mg合金晶粒细化作用的电子结构分析

运用固体经验电子理论(EET),对掺微量Sc和Zr的Al-Mg合金的价电子结构进行计算。结果表明:Zr、Sc与Al原子存在强烈的相互作用,形成Al-Zr、Al-Sc、Al-Zr-Sc偏聚区。Al-Zr-Sc原子的强烈偏聚易形成Al3(ZrxSc1-x)复合相粒子,对基体晶粒起到强烈的晶粒细化作用。