纳米结构金属晶界塑性机理的原子尺度模拟研究进展

纳米结构金属中富含晶界,对材料微观结构演化与宏观力学性能调控具有重要意义.厘清纳米结构金属晶界塑性变形的原子尺度机理,将之与材料宏观力学行为相联系,是纳米结构金属力学研究关注的核心问题.近年来,我们围绕晶界塑性变形机制及其影响因素,采用原子尺度模拟方法,探究了晶界诱导孪生与界面宏微观自由度的关联规律,揭示了晶界位错往复滑移主导的纳米晶体循环塑性机制,提出了孪晶界滑移诱导纳米晶体极端剪切变形,发展了取向依赖的晶界迁移和滑移转变模型,为纳米结构金属晶界行为预测与调控提供了新思路.本文梳理了晶界塑性原子尺度模拟的研究现状,总结了本团队从原子尺度探究晶界塑性变形机理的相关进展,指出了纳米结构金属晶界调控理论与力学表征的难点和挑战.     

纳米尺度下不同曲率半径针尖接触滑动过程的分子动力学模拟

针对不同磨损情况的原子力显微镜探针,运用三维分子动力学模拟方法研究不同曲率半径探针接触压入及滑动过程中单晶铜基体表面材料的变形及摩擦磨损机制.研究结果发现,在探针接触压入单晶铜基体时,接触作用力、位错及位错发射等缺陷随着接触深度或接触半径的增大而增加,位错发射方向为[101]和[101].探针在单晶铜基体表面滑动过程中,探针曲率半径增大,因材料塑性变形形成的沟槽、法向力及摩擦力也随之增大,而摩擦系数随之减小.堆垛层错沿着滑动方向扩展并随探针曲率半径增大而增多.此外,摩擦磨损过程中产生的隆起堆积原子数量随着探针曲率半径或滑动距离增大而增多.     

胶体晶体制备与应用研究进展

不同于由分子、原子或离子所形成的晶体,胶体晶体是由单分散的微米或亚微米胶体颗粒组装形成的二维或三维有序阵列结构.与通常晶体相比,胶体晶体中占据每一个晶格点的是单分散的胶体粒子.由于具有特殊的周期性晶格结构和光学、模板等性能使其在制备三维有序大孔材料、光子晶体和传感器等领域有着重要的应用价值,受到科学界和工业界的广泛重视.本文综述了近几年来在胶体晶体制备和应用领域研究的最新进展,包括单分散胶体颗粒的制备及功能化、不同类型胶体晶体的自组装制备和图案化、以及胶体晶体在构筑晶体结构模型、二维有序微结构、三维有序大孔材料、光子晶体、传感器和仿生材料等领域的应用,并对其未来研究发展的方向进行了展望.     

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.     

筒形件反旋时位移分布的规律

筒形件强力旋压是公认的制造大型薄壁筒形件的有效方法之一,目前已广泛应用于实际生产中.强力旋压技术由于其自身工艺的复杂性,给理论上的精确分析带来诸多不便.近年来,塑性有限元技术的迅速发展给旋压变形的理论分析带来新的活力.旋压工艺本身具有局部加载和局部塑性变形的变形特性,其变形过程中加载位置与方向、约束条件等都在不断变化之中,有限元法对处理此类问题有独特的优点.本文用自行开发的筒形件强力旋压三维大变形弹塑性有限元模拟软件3D-BSPIN,首次采用局部加载理论和动态边界条件对反旋过程中的瞬时位移场,进行了模拟计算,获得了旋压过程中不同截面上的位移分布.这不仅丰富了旋压变形理论,也为实际生产中控制旋压件精度及提高产品合格率提供了理论上的依据.1 有限元模拟中工艺参数的选择     

高光学质量KDP晶体的生长

一、引言 最近,由于高功率激光系统需要高光学质量的KDP晶体作为激光倍频材料,国际上对KDP晶体又进行了不少的研究。对KDP晶体光学性能的要求主要有两方面:一是晶体的光损伤阈值要高;二是晶体的光吸收和散射要小。我们从降低杂质的浓度和减少晶体的位错入手,研究了KDP晶体的生长工艺和溶液状态,从而生长出光学性能优异的KDP大单晶。     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

高超声速空气动力学研究进展与趋势

高超声速空气动力学是空气动力学研究的前沿,它随着现代高超声速飞行器的发展需求而发展.未来高超声速空气动力学的发展趋势可大致概括为:重视物理建模、预测的精细化;重视实用的高性能计算、海量信息的提取和理解;重视飞行器与流动的非定常、非线性的耦合运动及控制研究;重视多目标/多学科优化设计、发展新的交缘学科.建议学科重点发展方向为:高温气体、化学非平衡效应与材料耦合响应的物理建模;临近空间飞行器跨流域复杂非平衡绕流问题的数值模拟;高速飞行器动稳定性与控制;实用高性能计算方法与海量信息的提取;气动数据不确定度与多目标优化;多物理场耦合、多尺度数值模拟方法.     

高分子表面有序微结构的构筑与调控

发展不依赖于传统刻蚀技术, 图案形状、尺寸及表面性质等可以动态调控的微图案化方法是当前国际上的研究热点. 高分子由于可以通过可控聚合调控其预定结构和尺寸, 并且具有易于加工和可以嵌入多种化学功能团等特点, 是制备不依赖于传统刻蚀技术的价廉、高产的微图案化的理想材料. 因而设计具有特定结构的高分子, 利用高分子的丰富相态结构和其在外场等作用下的性质, 发展高分子图案化方法、技术和原理具有重要意义. 本文总结了我们在基于自组装的“自下而上”的高分子微结构的构筑与调控方面取得的成果. 以均聚物和嵌段共聚物为研究对象, 采用纳米尺度的利用嵌段共聚物的微相分离、微米尺度的利用高分子薄膜的去润湿、冷凝的水蒸气液滴为模板以及高分子共混物薄膜的相分离等, 实现了不同尺度的高分子表面有序微结构的构筑与调控, 制备了从微米到纳米尺度的高分子有序微结构, 研究其自组装形成微、纳米图案的影响因素和机理, 掌握了调控图案形态、尺寸、表面性质的规律, 实现了稳定、有序的智能图案的动态设计.     

固体中的缺陷：从位错到拓扑涡旋

固体如何形变流动,是固体物理和材料科学所长期关注的重要问题。谚语讲“上帝眼中,万物皆流”,其本质讲明了固体材料并不完美,其中存在的缺陷主导了固体材料的长时间尺度流变行为。在最近的一项研究工作中,研究者将拓扑学理论与前沿模拟方法相结合,最终证实了玻璃中拓扑缺陷的存在及其对玻璃塑性的关键作用。相关工作在非晶物质科学领域内首次展示了经典本征振动模式几何是如何影响非晶材料塑性行为的。     

介电晶体光波导的制备及其应用

介电光学晶体种类繁多,具有丰富的功能属性,在科学研究、生产生活的各个领域有着广泛的应用.光波导是基本的光学微结构之一.基于介电光学晶体的光波导结构是组成集成光子学器件的重要元件.利用飞秒激光直写或者载能离子束辐照技术,可以有效调控晶体材料局部区域的折射率分布,形成低损耗的光波导结构.本文将介绍介电晶体光波导(包括单晶薄膜)的制备方法及相关的波导性能,综述介电晶体光波导在激光产生、非线性光学频率转换、信号调制以及量子信息中的应用,并对这一领域的未来研究进行展望.     

C_(60)单晶溶液生长中的枝晶与分形

C_(60)作为一种新型功能材料已受到人们广泛关注,为了深入研究这种材料的结构和物性,以及开拓其潜在的应用领域,通过C_(60)粉来制备高质量的C_(60)单晶体就显得越来越重要.目前已报道的制备C_(60)单晶体的方法主要有两种:一是溶液法,即将C_(60)粉溶于苯、甲苯、环已烷等有机溶剂中,然后通过溶剂的快速蒸发结晶出C_(60)单晶.此法优点是生长装置简单,生长条件易于控制,生长出的C_(60)单晶尺寸较大,缺点是有机溶剂分子可能进入C_(60)晶体内部;另一种是气相法,即在真空中加热C_(60)粉,使其升华,并在冷端凝结为C_60单晶 此法优点是生长的C_(60)单晶纯度高、晶面规则,缺点是生长条件不易控制,生长的晶体尺寸较小.因此,无论用上述哪一种方法,目前要生长出高质量、大尺寸C_(60)单晶都是很困难的,其主要原因就是关于C_(60)晶体生长的动力学机制尚不十分清楚.本文在C_(60)晶体的甲苯溶液生长系统中,通过扫描电子显微镜观察到C_(60)晶体生长中的小面化晶体、枝晶及分形等生长形态,并且分析了其产生的动力学机制.     

冰纳米晶体热力学参量的尺度和维度效应

虽然冰的熔化是最常见的相变过程,但是对于(预)熔化和准液态表面层仍然存在许多争议,而且关于冰纳米晶体热力学参量与其尺度和维度之间关系的研究也很少.本文拓展建立了可描述氢键结合的冰纳米晶体熔化温度、预熔化温度和熔化焓的尺度和维度效应的理论模型.根据模型,上述热力学参量都随着尺度和维度的增加而增加,同时还发现预熔化温度和熔化温度具有几乎相同的尺度效应.模型对冰纳米粒子和纳米线的上述热力学参量尺度和维度效应的预测与相应的分子动力学模拟和实验结果相吻合,从而可以从理论上确定准液态层厚度.研究表明,准液态层厚度并不是恒定不变而是随着尺度的增加而缓慢增大,这也就是不同的研究报道中会出现不同准液态层厚度的原因.     

(超)微电极在能源材料领域中的应用

简述了超微电极技术的原理、特点以及使用条件.对比了(超)微电极、大面积多孔电极以及理论模拟等方法研究电池电极材料的结果,表明(超)微电极的实验结果和理论模拟结果之间具有较高的一致性.本文从电化学原理的角度论述了常规尺寸电极上得到结果和理论模拟结果之间出现差异和分歧的原因,并论证了(超)微电极在研究储能材料本征动力学行为和测量物理化学参数方面的重要性和必要性.介绍了(超)微电极/扫描电化学显微镜在筛选燃料电池氧气还原催化剂领域中的应用及原理.针对双电解质金属锂电池所面临的问题,介绍了微纳尺度空心针尖支撑的液液界面上锂离子相转移动力学行为的最新研究结果.     

高速撞击诱导大梯度纳米结构化高熵合金的力学行为

国防军工与航天领域的防护结构要求材料能经受住弹体或空间碎片的高速撞击,包括处于极低温环境.高熵合金因其特殊的化学结构与优异的综合力学性能,成为新型装甲防护材料研究的新范式.本文通过弹丸高速撞击高熵合金靶板的响应分析,提出了一种通过室温和低温高速冲击制备大梯度纳米晶和纳米孪晶混合结构高熵合金的新方法,并研究了该梯度纳米结构高熵合金的拉伸力学性能以及变形机理.结果表明,大梯度纳米结构从冲击端到自由面,微结构过渡主要为:纳米晶-纳米晶带-高密度纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-稀疏纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-高密度位错-稀疏位错.单纯纳米晶和纳米孪晶混合结构的梯度层厚度达到4 mm,远超传统手段制备的梯度层厚度(小于500μm).相比初态样品,大梯度纳米结构高熵合金的强度提升明显,最高提升390%,塑性仍保持在较大范围内:21%～62%.这得益于大梯度样品“软区”和“硬区”共存,除了较大背应力提供额外强化外,软硬组织弹塑性变形的不同步和断裂发生的不同步也会额外提高力学性能.本研究不仅可为开发块体大梯度纳米结构材料提供新方法,也可为理解高熵合金的抗弹行为并指导装甲防护材料设计提供...     

导电高分子微米/纳米结构材料

微米/纳米结构化的导电高分子材料不仅具有导电高分子自身的特性, 同时兼具微结构赋予的特殊功能, 从而在光、电子微型器件, 高效、快速感应器件, 微型电化学器件等方面具有广泛的应用前景. 本文着重从软、硬模板合成技术等方面综述了近几年导电高分子微米/纳米结构的制备方法, 讨论了两种技术的优缺点. 介绍了一系列导电高分子微米/纳米结构材料, 并对该研究领域进行了展望.     

计算机模拟技术在航空发动机涡轮叶片制造中的应用

航空发动机涡轮叶片结构复杂,制造工艺繁琐,在高温高压环境下服役需要使用特殊的材料——单晶高温合金。随着叶片几何结构的日趋复杂(如空心、薄壁等),单纯依靠经验和实验进行叶片研制和工艺开发已经落后于时代的要求,而模拟仿真技术不仅能够计算凝固过程中的各项参数,极大地丰富研发手段,而且能够精准、高效、可视化地分别针对缺陷、性能进行预测和优化,从而达到工艺-组织-性能相耦合的多尺度、全流程模拟的目标。     

钽酸钾单晶的提拉法生长及某些性质的研究

钽酸钾(KTaO_3,简称KT)单晶具有稳定的立方结构,可用于制作激光调制器、数字式偏转器及半导体器件.由于该晶体从绝对零度至其熔点(1645K)温度范围内无相变,且其晶胞参数与钇钡铜氧系超导体匹配甚好,有希望用作超导体薄膜的衬底材料,近年来格外受到人们的重视.文献报道的这种晶体的生长方法有自发成核(Spontaneous nucleation)、缓冷法(Slowcooling method)和改进的Kyropoulos技术,其生长速率低(0.03—0.14mm/h),周期长.     

非晶态固体力学

经典的固体变形和断裂理论建立在连续介质尺度,结合位错、晶界、解理等概念可成功应用于各类晶态固体.然而,该经典路径对于拓扑长程无序的各类非晶态固体面临极大的概念和理论挑战.根本原因是,传统晶体学概念在非晶态无序结构中无法定义,导致以此为基础建立的固体力学理论全部失效.本文针对非晶合金这类典型非晶态固体及其对应的原子或胶体模拟体系,介绍和评述与力学相关的研究进展,包括塑性载体、塑性本构理论、蠕变与应力松弛、剪切带、断裂失效.最后,对非晶态固体力学研究的发展现状和未来趋势进行简要总结.     

考虑微裂缝的数字岩心多点统计学构建方法

页岩的微观孔隙结构决定了其宏观性质和流动规律,其微观孔隙结构呈现出典型多尺度特点,孔隙尺寸从纳米到微米不等,同时还伴有天然发育的微裂缝.物理实验方法受限于分辨率和样品尺寸之间的矛盾,无法获取能够同时含有微纳米孔隙信息和微裂缝特点的表征单元体,因此数值重建算法显得尤为重要.传统的重建算法只能构建单一孔隙类型的数字岩心,针对页岩多尺度特点,本文提出了一种基于模式的多点统计学方法,结合训练图像和数据模板捕获模式库和条件概率函数,利用模式法的插值方式对待模拟空间进行构建.通过自相关函数、孔隙形态拓扑结构及渗透率方面,对本文提出的数值重建算法进行评价.在不同类型模拟算例中,本文算法呈现较好的可靠性.与传统重建算法相比,本文算法能够构建页岩多相多尺度数字岩心.