具体描述
《多相场模拟技术在共晶凝固研究中的应用》介绍了共晶凝固理论的研究进展、相场法数值模拟的概念及其应用以及典型的多相场模型的建立及应用。全书共7章，其中共晶合金定向生长形态演化是其核心内容，包括二维形态演化和三维形态演化。《多相场模拟技术在共晶凝固研究中的应用》以多相场模型的建立，参数的选择及边界条件的确定开始，分别研究了共晶合金的形态深化、形态演化过程中的共晶层片厚度效应及影响形态深化过程的因素，为进一步研究共晶合金的微观组织了奠定了基础。
《多相场模拟技术在共晶凝固研究中的应用》可作为材料加工学科及物理学科研究生教材，也可供从事相场模拟研究的高校教师、企业工程技术人员等广大科研工作者参考。
现代材料科学前沿：先进材料的计算模拟与性能预测 图书简介 本书深入探讨了现代材料科学领域中，计算模拟技术如何赋能新材料的研发与性能优化。全书聚焦于材料微观结构演变、宏观力学性能以及功能特性之间的内在联系，构建了一套从原子尺度到工程尺度的多尺度模拟框架。本书旨在为材料研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一套全面、系统且具有前瞻性的理论指导和实践案例。 第一部分：材料模拟的基础理论与计算方法 本部分奠定材料模拟的理论基石。首先，系统回顾了量子力学计算方法，重点阐述了密度泛函理论（DFT）在计算电子结构、预测化学键特性和材料平衡态性质中的应用。详细讨论了不同泛函的选择对计算精度和效率的影响，并引入了后DFT方法的考虑，如考虑强关联效应的Hubbard U理论。 接着，转向介观尺度的模拟技术。分子动力学（MD）方法被作为核心工具进行深入剖析。内容涵盖了经典力场（如Lennard-Jones、嵌入式原子法EAM、Tersoff 势等）的构建原理、参数化策略及其局限性。重点阐述了如何利用MD模拟来捕捉原子尺度的动力学过程，例如扩散、位错形核与运动、以及晶界迁移等。为解决时间尺度限制问题，本书详细介绍了混合动力/半经典模拟方法（如Ehrenfest动力学）和粗粒化（Coarse-Graining）技术，以实现对更长动态过程的模拟。 此外，本部分还专题讨论了蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟在材料相变研究中的应用，特别是其在相图构建、有序-无序转变动力学模拟中的优势。 第二部分：微观结构演变与缺陷工程 本部分将理论方法应用于材料微观结构演变的复杂系统。 晶体塑性与位错动力学： 详细介绍了晶体塑性有限元（CPFEM）方法的理论框架，该方法耦合了本构关系与晶体滑移系统的演化。重点分析了应力集中、裂纹萌生与扩展过程中位错的交互作用、攀移以及缠结的机制。通过案例研究，展示了如何利用CPFEM模拟不同晶体结构（如FCC、BCC、HCP）材料在复杂载荷下的塑性各向异性。 相变动力学与界面控制： 深入探讨了热力学驱动下的相变过程，如析出相的成核与长大。侧重于相场（Phase-Field）方法在描述宏观形貌演化中的强大能力。本书阐述了相场方程的推导，包括自由能泛函的构建和动力学演化方程的拉普拉斯算子形式。通过对合金中析出物（如GP区、第二相粒子）的生长模拟，展示了如何利用界面能、驱动力梯度来精确控制微观结构的均匀性。 梯度结构与界面工程： 针对梯度材料和功能复合材料，本部分探讨了如何通过界面工程来调控材料性能。讨论了异质结、多层膜体系中的应力分布与界面稳定性。利用分子动力学和有限元耦合模拟，揭示了不同材料组分之间应力失配如何影响界面处的缺陷活动和材料的力学响应。 第三部分：先进功能材料的模拟应用 本部分聚焦于模拟技术在特定功能材料设计中的实际应用。 热电材料的输运性质： 阐述了热电材料中电输运和热输运的耦合机制。利用玻尔兹曼输运方程（BTE）结合第一性原理计算得到的电子结构信息，模拟了材料的塞贝克系数、电导率和热导率。重点分析了纳米结构（如量子点、纳米线）中声子散射对晶格热导率的调控作用，以及电子-声子散射对热电优值（ZT）的影响。 储能材料的界面效应： 针对锂离子电池正负极材料，本书分析了电极材料表面与电解液界面的反应动力学。利用DFT和MD模拟，探究了固态电解质界面（SEI）层的形成机理、离子迁移率以及界面阻抗的来源，为开发高稳定性和高能量密度的下一代储能器件提供了理论依据。 新型磁性材料的磁结构与弛豫： 详细介绍了利用伊辛模型（Ising Model）和海森堡模型（Heisenberg Model）结合蒙特卡洛方法模拟铁磁、反铁磁材料中的磁畴结构、磁化过程以及居里温度。针对永磁材料，结合微磁学（Micromagnetics）模拟，分析了磁畴壁的运动和钉扎效应，为设计高性能磁记录介质提供了计算工具。 第四部分：多尺度建模的集成与性能预测 本部分着眼于如何将不同尺度的模拟结果有效地集成起来，实现对宏观材料行为的准确预测。 尺度连接与数据驱动方法： 讨论了如何将原子尺度的力学参数（如位错能、界面能）作为输入，传递给介观模拟（如位错动力学模拟），再将介观结构演化信息输入到宏观有限元模型中。同时，引入了机器学习（ML）和人工智能（AI）在加速材料模拟中的应用，如利用ML构建高精度的势函数，或通过数据挖掘现有模拟结果来预测未知的材料性能。 模型验证与不确定性量化： 强调了计算模拟结果必须与实验数据进行严格比对和验证的重要性。讨论了计算误差的来源（如截断误差、近似误差）以及如何通过不确定性量化（Uncertainty Quantification, UQ）方法来评估预测结果的可靠性，从而指导实验设计的方向。 本书结构严谨，理论阐述深入浅出，配以丰富的图表和具体的计算案例，是材料计算模拟领域不可或缺的参考书。
作者简介
目录信息
1 绪论
1.1 概述
1.2 共晶凝固理论的研究进展
1.2.1 经典共晶凝固理论的回顾
1.2.2 现代共晶凝固理论的研究进展
1.2.3 共晶形态的层-棒转变理论
1.3 相场法研究进展
1.3.1 相场模型
1.3.2 相场模型参数的确定方法
1.3.3 相场模型在凝固微观组织模拟中的应用
1.4 多相场模型
1.4.1 多相场模型的分类
1.4.2 典型的多相场模型
1.4.3 多相场模型的发展
1.5 共晶凝固领域的发展现状及亟待解决的问题
2 共晶凝固多相场模型及其数值求解
2.1 共晶凝固尖锐界面模型
2.2 共晶多相场模型
2.2.1 相场方程
2.2.2 溶质场方程
2.3 参数的确定
2.3.1 相场模型参数
2.3.2 计算参数
2.3.3 工艺参数
2.4 数值求解及后处理方法
2.4.1 初始条件
2.4.2 边界条件
2.4.3 方程的离散
2.4.4 后处理
2.5 程序流程
3 层片共晶形态稳定性的二维基准性研究
3.1 参数空间
3.2 CBr4-C2Cl6合金的形貌选择
3.2.1 亚共晶成分(η=0.2)
3.2.2 共晶成分
3.2.3 过共晶成分(η=0.5)
3.2.4 与实验结果的对比
3.3 模型合金的形貌选择
3.3.1 亚共晶成分(η=0.4)
3.3.2 共晶成分
3.3.3 过共晶成分(η=0.6)
3.4 层片共晶形态选择的机理分析
3.4.1 层片共晶形态选择规律
3.4.2 稳定性分析
3.4.3 稳定性图
4 CBr4-C2Cl6共晶合金的三维层片形态演化
4.1 三维模拟的建立
4.1.1 参数及初始条件
4.1.2 温度边界条件的确定
4.2 低厚度测试
4.2.1 亚共晶合金(η=0.2)
4.2.2 共晶合金
4.2.3 过共晶合金(η=0.5)
4.3 CBr4-C2Cl6合金三维形态演化
4.3.1 亚共晶合金(η=0.2)
4.3.2 共晶合金
4.3.3 过共晶合金(η=0.5)
5 CBr4C2Cl6过共晶合金三维层片形态演化的厚度效应
5.1 初始层片间距小于小过冷度层片间距时的厚度效应
5.1.1 形态演化
5.1.2 溶质分布
5.1.3 界面平均过冷度
5.2 初始层片间距接近小过冷度层片间距时的厚度效应
5.3 初始层片间距大于小过冷度层片间距时的厚度效应
5.4 层片厚度效应机制
6 不同抽拉速度下CBr4-C2Cl6共晶合金的三维形态选择
6.1 恒速条件下的共晶生长
6.1.1 不同抽拉速度下的形态选择
6.1.2 形态选择图
6.2 变速条件下的共晶生长
6.3 抽拉速度对形态选择的影响机制
6.3.1 基于小过冷度原理的分析
6.3.2 应用理论模型验证
6.3.3 实验实例
7 共晶形态的层-棒转变
7.1 CBr4-C2Cl6共晶合金层-棒转变
7.1.1 液相溶质扩散系数DL的影响
7.1.2 初始成分的影响
7.1.3 初始层片间距的影响
7.2 模型合金层-棒转变
7.2.1 不同初始成分的亚共晶形态演化
7.2.2 形态选择图
7.3 共晶形态层-棒转变机制
7.4 实验结果
参考文献
附录
附录A 二维离散
附录B 三维离散
· · · · · · (收起)
1.1 概述
1.2 共晶凝固理论的研究进展
1.2.1 经典共晶凝固理论的回顾
1.2.2 现代共晶凝固理论的研究进展
1.2.3 共晶形态的层-棒转变理论
1.3 相场法研究进展
1.3.1 相场模型
1.3.2 相场模型参数的确定方法
1.3.3 相场模型在凝固微观组织模拟中的应用
1.4 多相场模型
1.4.1 多相场模型的分类
1.4.2 典型的多相场模型
1.4.3 多相场模型的发展
1.5 共晶凝固领域的发展现状及亟待解决的问题
2 共晶凝固多相场模型及其数值求解
2.1 共晶凝固尖锐界面模型
2.2 共晶多相场模型
2.2.1 相场方程
2.2.2 溶质场方程
2.3 参数的确定
2.3.1 相场模型参数
2.3.2 计算参数
2.3.3 工艺参数
2.4 数值求解及后处理方法
2.4.1 初始条件
2.4.2 边界条件
2.4.3 方程的离散
2.4.4 后处理
2.5 程序流程
3 层片共晶形态稳定性的二维基准性研究
3.1 参数空间
3.2 CBr4-C2Cl6合金的形貌选择
3.2.1 亚共晶成分(η=0.2)
3.2.2 共晶成分
3.2.3 过共晶成分(η=0.5)
3.2.4 与实验结果的对比
3.3 模型合金的形貌选择
3.3.1 亚共晶成分(η=0.4)
3.3.2 共晶成分
3.3.3 过共晶成分(η=0.6)
3.4 层片共晶形态选择的机理分析
3.4.1 层片共晶形态选择规律
3.4.2 稳定性分析
3.4.3 稳定性图
4 CBr4-C2Cl6共晶合金的三维层片形态演化
4.1 三维模拟的建立
4.1.1 参数及初始条件
4.1.2 温度边界条件的确定
4.2 低厚度测试
4.2.1 亚共晶合金(η=0.2)
4.2.2 共晶合金
4.2.3 过共晶合金(η=0.5)
4.3 CBr4-C2Cl6合金三维形态演化
4.3.1 亚共晶合金(η=0.2)
4.3.2 共晶合金
4.3.3 过共晶合金(η=0.5)
5 CBr4C2Cl6过共晶合金三维层片形态演化的厚度效应
5.1 初始层片间距小于小过冷度层片间距时的厚度效应
5.1.1 形态演化
5.1.2 溶质分布
5.1.3 界面平均过冷度
5.2 初始层片间距接近小过冷度层片间距时的厚度效应
5.3 初始层片间距大于小过冷度层片间距时的厚度效应
5.4 层片厚度效应机制
6 不同抽拉速度下CBr4-C2Cl6共晶合金的三维形态选择
6.1 恒速条件下的共晶生长
6.1.1 不同抽拉速度下的形态选择
6.1.2 形态选择图
6.2 变速条件下的共晶生长
6.3 抽拉速度对形态选择的影响机制
6.3.1 基于小过冷度原理的分析
6.3.2 应用理论模型验证
6.3.3 实验实例
7 共晶形态的层-棒转变
7.1 CBr4-C2Cl6共晶合金层-棒转变
7.1.1 液相溶质扩散系数DL的影响
7.1.2 初始成分的影响
7.1.3 初始层片间距的影响
7.2 模型合金层-棒转变
7.2.1 不同初始成分的亚共晶形态演化
7.2.2 形态选择图
7.3 共晶形态层-棒转变机制
7.4 实验结果
参考文献
附录
附录A 二维离散
附录B 三维离散
· · · · · · (收起)
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