多晶材料显微结构的计算机模拟

多晶材料显微结构的计算机模拟

作者：吴裕功， 周卫斌， 刘震

作者单位：天津大学 电子信息工程学院，天津 300072

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1.学位论文杨梅用相场法研究多晶中晶粒的演变规律2007

多晶材料中，晶粒长大过程一直是人们密切关注的课题，因为晶粒尺寸和形貌与金属材料性能密切相关，它直接影响着金属材料的力学性能，故研究它具有重要的理论和现实意义。近年来，计算机仿真已成为材料显微组织和研究演变过程的重要手段，通过计算机模拟不仅可以深入理解凝固组织的形成机制，而且有利于预测铸件的物理性能，达到人工材料设计的目的。特别是进行三维多晶方面的模拟更加符合真实的凝固过程，从而为工艺控制和新型材料的凝固组织的改善提供可靠的依据，达到控制铸件质量的目的，这对于新性能材料的设计与开发具有重要的实用价值。为此，本论文采用相场方法仿真了三维晶粒长大过程，并对三维准稳态平均晶粒尺寸、晶粒相对尺寸分布和拓扑学特征及其演变规律进行了重点探讨，以期获得对晶粒长大本质特征的进一步认识。

本文首先对相场模型中的自由能函数的收敛性进行了研究，使我们对相场模型中的晶粒凝固模拟有了更深一步的了解，初步验证了本文设计的相场算法的有效性。

实现了二维晶粒长大过程的计算机仿真研究。并讨论了相场模型中的参数，场变量，晶界能及分子动力学系数对晶粒生长的影响。①场变量选取不应过少，场变量数目越大，晶粒合并的几率越小；不同个数场变量下的晶粒生长规律及晶粒的相对尺寸分布具有相同的形式：②晶界能与晶粒的晶界厚度有关，晶界能越大晶界越厚，晶粒的生长尺寸越大，厚度正比于平方根k。③分子动力学系数选取越大，晶粒生长得越快。

最后，实现了三维晶粒长大过程的计算机仿真。对平均晶粒尺寸、晶粒相对尺寸分布和拓扑学特征及其演变规律分别进行了研究。结果表明

：①3D晶粒生长的平均半径符合二次幂数的规律；②当晶粒生长达到准稳态时，晶粒的相对尺寸具有Weibull的分布形式；③对3D晶粒的某个横截面的拓扑结构进行观察，结果表明晶粒的拓扑演化具有不同的形式，两个五边形晶粒最终分别以四边形和三边形晶粒消失。

2.学位论文王小军材料设计在Zintl相热电材料和硼/磷酸盐发光材料探索中的应用2008

材料设计是指通过理论与计算预报新材料组分、结构和性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。目前，研究者已处在应用理论和计算来设计材料的初级阶段，如何将材料设计和新材料的探索成为日益关注和研究的焦点。本论文从无机晶体结构数据库出发，利用第一性原理计算方法在热电材料和发光材料领域预测和探索了多种新的材料，并对部分材料进行合成与性能测试，验证了我们方法的合理性和可行性。

首先，利用模块构建方法预测了三种ZrSiCuAs型层状化合物：BaFCdSb、BaFMnSb和LaOZnSb，包括BaFMnSb的磁结构。并且采用固相反应合成了BaFCdSb和LaOZnSb，证实了它们的存在。能带和电子能态密度表明BaFCdSb和LaOZnSb为窄带隙半导体，BaFMnSb为半金属，其价键构建规则符合Zintl概念，而且它们都可能是潜在的热电材料。

由于容易形成窄带隙半导体和具备较低的品格热导率，Zintl相成为热电材料的候选目标。通过分析数据库大量的晶体结构数据和第一性原理计算电子结构，再结合优良热电材料的选择准则，我们在三元Zintl相化合物RxTySz(R为Ba， Yb和Eu； T为过渡金属；S为半金属)中挑选了若干具有潜在应用价值的热电材料，并成功制备了Ba2r12Sb2、YbCd2Sb2和Eu2n2Sb2多晶材料，详细探讨了这些化合物的热、电、磁等物理性能。研究结果表明：它们的ZT值在700K左右分别达到0.3、1.0和0.5，为优良的热电材料。我们还进一步研究了固溶体YbCdxZn2-xSb2 (x=0，0.4，0.8，1，1.2，1.6，2)的热电性能，发现对Cd位进行Zn替换可以很容易调节材料的载流子浓度，降低晶格热导率，最终进一步提高材料的ZT值。

硼酸盐和磷酸盐化合物由于结构的丰富多样，且有较高的化学稳定性、较宽的带隙，它们在在发光材料领域有着广泛的应用。我们利用第一性原理方法计算了几种典型的硼/磷酸盐发光材料基质LuBO3、YPO4、YBa389O18和KYP2O7的电

子结构，结果表明阴离子基团和稀土离子决定了这些化合物的带边电子结构，碱土(或碱金属)主要是起到改变稀土和氧的配位关系以及硼/磷阴离子基团连接方式的作用。这点解释了这些发光体系在真空紫外波段本征激发的来源，而且还为我们一步探索优良的硼/磷酸盐发光基质提供了理论指导。 最后，我们发现一种长链胺磷酸盐[CnH2n+INH3][H2PO4]系列化合物的奇异发光现象：在254nm和365nm紫外灯下发明亮的白光，并有长达数分钟的余辉仍被观测到。电子结构计算证明，这类化合物的本征激发主要由磷氧基团决定，与碳链长度无关。结合实验光谱分析，可见/紫外波段的激发和发射应归结为化合物中氢缺陷的形成的非本征能级引起的电子跃迁，同时也导致了长余辉现象的产生。

关键词：材料设计，热电材料，发光材料，Zintl相，硼酸盐磷酸盐

3.学位论文贺岩松铁电材料非线性力电耦合关系研究2003

二十一世纪是新技术和新材料飞速发展的世纪。随着计算机技术、通讯技术、生物技术以及微电子技术等的日益发展，人们对组成各个系统与结构的基本部分的性能提出了新的要求，不仅要求材料可靠与安全，更希望材料能根据其周围环境的变化来调整自身的某些参数以达到最优化的要求。关于“智能材料与结构”的研究正顺应这一趋势而蓬勃发展起来。铁电材料不仅是重要的电子功能材料，而且被认为是最有应用前景的智能基础材料。人们虽然对铁电现象很早就有了认识，但对其基本性能的认识还远未完善，对材料的微结构、疲劳、损伤、断裂、破坏失效的机理也不十分明了，迫切希望进行更深入、更全面的了解。本论文就是针对铁电材料的非线性力电耦合性能进行研究与分析，以期能对其本构关系作出简单明确的描述，为铁电元器件的材料设计、结构分析及寿命估计等提供依据。

本文主要进行了以下研究工作：

①提出了新的铁电材料力电耦合模型，以描述复杂的力电耦合效应。其工作包括：在分析铁电材料电畴翻转基本特征的基础上，引入电畴的“连续翻转”模型，克服了“完全反转”假设对铁电特性描述的局限性，使电畴翻转模型的物理意义更为明确。

建立了以电畴翻转时的体积分数增量为中心的，基于铁电畴壁运动特性的剩余应变及电位移的增量形式的演化方程，在其中包含有材料参数、畴壁运动、电畴形式、电畴体积分数及基体与夹杂、夹杂与夹杂等相互间能量作用等影响因素。

依据晶体塑性理论，将铁电材料中的电畴翻转类比于晶体位错滑移面上的滑移系，定义铁电材料中相应的电畴反转系；采用电畴的体积分数表述电畴翻转的变化量，得到了电畴翻转的饱和特性的简单描述。

②初步提出了跨多尺度的铁电陶瓷材料的力电耦合分析方法，得到与实验结果相符合的铁电陶瓷本构行为的计算结果。主要内容包括：

建立基于铁电材料微结构的夹杂单元体的均匀化方法，不但将材料的宏、细观力电响应关系连接起来，而且将材料细/微观结构的几何及材料特性与材料的宏观性能相统一，使对铁电多晶材料的损伤、疲劳及破坏等的研究更直接有效。

通过采用基于Hill理论的扩展的自洽计算方法，将其从一般多晶材料、复合材料的纯力学性能描述，扩展到具有力电耦合的复杂情况，建立其整体迭代和局部迭代的计算方法，得到铁电多晶材料的非线性力电耦合关系的描述。

③应用提出的模型与方法，针对层状微结构铁电材料的具体特点，进行了计算与分析，包括：

——建立了层状铁电材料的力电场边界条件，推导出在外加力电场作用下的各层材料的局部力电响应的表达关系。

——对各层材料的体积百分比及相对弹性模量对材料整体性能的影响进行了计算与分析。

——分析了不同空间取向分布的铁电夹杂体，获得了其等效应力及等效应变的分布情况与演化关系，指明因夹杂的空间分布而引起的非均匀性因素对损伤与破坏的影响。

④发展了能采用多轴加载方式的计算程序。该程序不仅适用于四方——立方结构相变的钙钛矿型铁电材料，而且通过简单修改，就可应用于其它结构相变形式的铁电材料电畴翻转的描述之中。

4.学位论文郑勇刚纳米晶体材料中晶粒生长及变形机理的研究2008

近年来，纳米材料在越来越多的领域得到应用。因此对纳米材料的制备工艺、变形及破坏机理的研究受到了广泛的关注。大多固体材料都是由晶粒构成的，其或为单晶体或为多晶体。晶粒边界上原子的不规则排列使得材料内部储存的能量很高，因此晶界易成为缺陷的源头。一方面在能量驱动下

，晶粒会逐渐长大以减小晶界的面积；另一方面，晶粒的尺寸、分布情况和变形方式与材料性能及其使用寿命密切相关，不同尺寸的晶粒在外载作用下

其变形机理不尽相同。因此，深刻地了解和剖析晶粒生长的基本特征和变形机理对于材料设计具有重要的指导意义。

针对单相多晶材料中的晶粒生长情况，本文提出了一个理论的生长模型，其中考虑晶粒的生长来自于两方面的作用：系统的平均场效应和邻域的局部效应，即将传统的扩散控制机制和曲率引导机制相结合，并对此模型的求解给出了相应的有限差分格式。计算结果表明，晶粒在生长过程中具有一个尺寸效应，当晶粒尺寸很小时，如纳米级别，生长主要是由扩散作用引起的。当尺寸增大，晶粒生长逐渐变为一个由曲率控制的过程，这与实验观测一致。这两个阶段的生长分别具有自相似的特征。与其它模型的结果相比，基于此模型所预测的晶粒尺寸分布函数与实验结果吻合的更好。

在多相材料中(通常以两相为原型)，针对其晶粒生长机理和特征的认识尚不完整，且很难导出相应的理论模型，因此晶粒生长过程主要采用模特卡罗方法进行模拟研究。本文通过扩展传统的Q态Potts模型，将其运用到两相不相溶固体材料晶粒生长的研究中。主要考虑了具有不同晶格方向的相同组分的晶格重定向和不同组分之间的扩散作用。蒙特卡罗模拟结果表明两相材料中晶粒尺寸与生长时间满足一个幂指数关系。由于附加相的存在，晶粒生长受到了很大程度的抑制。这时候生长指数为0.16，即为单相生长情况的1/3，这与实验结果相一致。同时研究发现为了控制单相材料生长而添加另一相物质时，附加相的最佳体积百分比约为7％～11％，实验中常用的比例为5％～10％，两者吻合很好。两相材料中晶粒尺寸基本上满足对数正态分布，表明所研究系统中的晶粒属于正常形态的生长模式，且此分布与时间无关。分析结果还显示了晶界能与表面能之比存在一个临界值(～2.6)，当实际比值大于临界值时，其中一相材料更趋于形成网状结构附着在另一相的边界上，否则其将更容易以颗粒形式散布在系统中。

在对材料微结构的变化，即晶粒生长，有了一定的认识的基础上，本文展开了对具有特定微结构的纳米晶体材料的变形机理研究。基于分子动力学方法，研究了单相单晶铜纳米线的变形机理。对纳米线的弯曲加载模拟结果表明，纳米单晶铜材料的塑性变形主要是由原子在密排面内的滑移所引导。塑性变形过程中所形成的形变孪晶将相互作用和影响，导致原子局部微结构的转化，从而形成两个相连的五折孪晶，这一过程是第一次从计算机模拟的角度观测到。而相连五折孪晶的出现对铜纳米线有很好的增强作用，从而使得供给纳米线塑性变形的位错运动受到抑制。

对纳米单相多晶铜材料，同样采用分子动力学方法模拟了其在拉伸载荷作用下的变形机理。数值实验的试件首先用前面所建立的扩展Potts模型结合蒙特卡罗方法模拟获得，这样的系统满足尺寸的对数正态分布，与实验更相符。然后采用单轴拉伸加载，同时控制其它两个垂直方向的应力。模拟结果表明，纳米多晶铜的变形主要存在两种方式，即小晶粒的变形主要是通过晶界滑移和晶粒旋转引导的，而大晶粒的变形则主要是由位错运动控制。此外，研究还发现这两种机理控制着不同的变形阶段，如晶粒旋转主要发生在塑性变形的初期，而塑性变形中后期则主要由位错运动引导。随着系统晶粒平均尺寸的改变，这两种机理所占的比重不尽相同，从而导致了纳米材料与传统粗晶材料的物理力学性能具有较大的差别。此外，研究结果还表明由于外载的作用，系统内部所出现的高应力将导致晶粒的快速生长。

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/1315359911.html,/Conference_7033774.aspx

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下载时间：2010年11月14日