元胞自动机方法模拟枝晶生长

为了能够准确反映具有明显界面的枝晶生长过程，利用元胞自动机方法模拟了凝固过程中固液两相具有不同热物理性质的枝晶生长.在模拟过程中发现，凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间，同时随着凝固时间的延长，界面前沿的溶质浓度梯度和温度梯度逐渐下降.利用模拟所得的枝晶尖端半径与理论计算的相比较，发现随着枝晶尖端速度的增加，枝晶尖端半径逐渐下降，模拟与理论结果符合较好，偏差小于1μm. 关键词： 枝晶生长 凝固 偏析 模拟     

电化学沉积金属铜的分形枝晶生长控制与性能

 以CuSO_{4/sub>为前驱体,HCl为添加剂,采用电化学沉积方法,在室温条件下制得了μm级、面心立方结构分形铜的枝状晶体,研究了铜离子浓度、硫酸浓度、电流密度、沉积时间、氯离子浓度等实验参数对分形枝状铜晶体尺寸、结构的影响。结果表明：硫酸的浓度对铜沉积物结构无明显影响;随着Cu^{2+/sup>浓度的不断增大,铜沉积物的分形效果越来越明显;增大电流密度（0.4～1.6 A·cm-2/sup>）,铜沉积物由致密向多分枝的开放型转变;延长沉积时间（大于等于5 min）,可获得含大量次级分枝铜的晶体;适当增加盐酸用量（0.05～0.20 mol/L）,铜沉积物枝晶尺寸显著减小。最后讨论了分形枝晶铜在碱性条件下氧化甲醇的电化学性能。}}     

电化学沉积金属铜的分形枝晶生长控制与性能

以CuSO4/sub>为前驱体,HCl为添加剂,采用电化学沉积方法,在室温条件下制得了μm级、面心立方结构分形铜的枝状晶体,研究了铜离子浓度、硫酸浓度、电流密度、沉积时间、氯离子浓度等实验参数对分形枝状铜晶体尺寸、结构的影响。结果表明：硫酸的浓度对铜沉积物结构无明显影响;随着Cu2+/sup>浓度的不断增大,铜沉积物的分形效果越来越明显;增大电流密度（0.4～1.6 A·cm-2/sup>）,铜沉积物由致密向多分枝的开放型转变;延长沉积时间（大于等于5 min）,可获得含大量次级分枝铜的晶体;适当增加盐酸用量（0.05～0.20 mol/L）,铜沉积物枝晶尺寸显著减小。最后讨论了分形枝晶铜在碱性条件下氧化甲醇的电化学性能。     

三维溶质枝晶生长数值模拟

建立了在低Péclet数条件下三维溶质枝晶生长的数值模拟模型.该模型采用Zhu和Stefanescu 提出的溶质平衡方法,即根据固/液界面的平衡浓度和实际浓度之差计算固/液界面演化的驱动力.界面的平衡浓度由界面温度和曲率所确定,实际浓度通过采用有限差分法对溶质扩散控制方程进行数值求解而获得.该方法能够合理定量地描述枝晶从初始的非稳态到稳态的生长过程,并且具有较高的计算效率.为了描述具有不同晶体学取向的三维枝晶生长,提出了一种权值平均曲率算法用于计算固/液界面的曲率,在权值平均曲率的算法中耦合了界面能各向异性的因素.该算法简单易实现,并易于从二维推广到三维系统.为了对模型进行验证,将模拟的枝晶尖端稳态生长数据和理论模型的预测结果进行了比较.结果表明,模拟的Al-2wt%Cu合金枝晶尖端稳态生长速率和半径随过冷度的变化接近于Lipton-Glicksman-Kurz解析模型的预测结果.模拟分析了稳态枝晶尖端的形貌,发现三维枝晶尖端是非轴对称的,以四次对称的方式偏离旋转抛物面.最后,应用所建立的模型模拟出具有发达分枝和不同晶体学取向的三维等轴多枝晶生长形貌. 关键词： 微观组织模拟 溶质枝晶生长 权值平均曲率 三维     

镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究

利用定量相场模型, 以Mg-0.5 wt.%Al合金为例模拟了基面((0001)面)内镁基合金的等温自由枝晶生长过程. 通过研究该合金体系数值模拟的收敛性, 获得了最优化值耦合参数λ = 5.5及网格宽度Δx/W₀ = 0.4, 并在该参数下系统研究了各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ^* 的影响. 结果表明, 由微观可解性理论得到的稳定性系数σ^* 与ε₆ 拟合值σ^*≅ ε₆ ^1.81905, 更接近理想值σ ^* (ε₆) ≅ε₆ ^1.75. 此外, 当过饱和度Ω < 0.6时, 稳定性系数σ ^* 不随ε₆ 的变化而变化, 而当Ω > 0.6时, 稳定性系数σ ^* 随着ε₆ 的增加而减小. 这反映了枝晶的生长由扩散控制向动力学控制的转变. 随着过饱和度的增加, 枝晶形貌由雪花状枝晶向圆状枝晶转变.     

强制对流和自然对流作用下枝晶生长的数值模拟

建立了一个基于格子玻尔兹曼方法 （LBM） 的二维模型,对强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行了模拟研究. 与传统的基于求解Navier-Stokes方程计算流场的方法不同,本模型采用基于分子动理论的LBM对凝固过程中的传输现象进行数值计算. 用三组粒子分布函数分别建立了计算流场、由对流和扩散所控制的浓度场和温度场的LBM演化方程. 通过求解LBM演化方程获得固/液界面前沿的浓度和温度分布. 然后,基于溶质平衡方法计算了枝晶生长的驱动力. 为了对模型进行验证,将模拟在强制和自然对流作用下枝晶上游尖端的稳态生长特征分别与Oseen-Ivantsov 解析解和修正的Lipton-Glicksman-Kurz 模型预测结果进行了比较, 模拟结果和理论预测结果符合良好. 模拟结果还表明,对流使热量和溶质从上游传输到下游,从而加速了枝晶在上游方向的生长,而抑制了下游方向的生长,形成了非对称的枝晶形貌. 关键词： 微观组织模拟 枝晶生长 对流 格子玻尔兹曼方法     

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小 关键词： 过冷 枝晶生长 相场法 数值模拟     

三维枝晶生长的相场法数值模拟研究

基于薄界面限制、耦合界面能各向异性的相场模型,采用动态计算区域的加速算法,对纯物质的三维枝晶生长进行了定量模拟,真实再现了枝晶的生长过程.对枝晶尖端进行了剖切分析,表明主枝截面上各向异性没有主枝方向各向异性明显;对枝晶尖端生长速度、尖端半径、Peclet数及临界稳定性参数σ^*进行模拟计算,并与同条件下报道值进行了对比分析,两者符合良好,并得到了与结晶理论相一致的枝晶生长规律,证实了相场方法模拟三维空间枝晶生长可行有效. 关键词： 相场方法 枝晶生长 微观组织 三维数值模拟     

过冷熔体中枝晶生长的相场模拟

本文利用相场方法对过冷镍熔体中枝晶生长过程进行了模拟,发现在过冷度低于 200 K时,生长速度与过冷度之间近似呈幂函数关系,当过冷度高于 200 K时,生长速度与过冷度之间基本呈线性关系。伴随着速度/过冷度之间关系的变化,枝晶尖端半径/过冷度的关系则呈现先减小后增加的趋势,并在 200 K时达到最小。本文还将模拟结果与实验值和经典LKT理论进行了比较,对上述关系转变的物理机制进行了分析。     

双边扩散枝晶生长的定量相场模型

本文针对非对称双边扩散条件下的二元合金枝晶生长,建立了一个包含溶质截流项的定量相场模型．本模型耦合了非线性热力学函数并采用化学势相等的界面条件．通过对相场方程进行二阶的薄界面渐进分析,并结合溶质拖拽模型,推导出相场迁移率和溶质截流项．随后将模型简化为二元稀溶液合金等温枝晶生长的相场模型以对其进行理论验证．通过在各种相场界面厚度条件下进行数值模拟,测试了本模型的数值收敛性．用所建立的模型模拟了Fe-0．15m01％C合金的等温枝晶生长,将相场模拟结果和经典Gibbs—Thomson关系,线性可解性理论以及改进的Lipton—Glicksman—Kurz（LGK）解析模型进行比较,取得了良好的符合．模拟结果表明本模型能有效地消除延拓的界面厚度所导致的界面异常效应,具有良好的定量模拟能力．而且,本模型能够定量地描述从单边扩散到对称扩散的各种固相扩散迁移率条件下的枝晶生长．     

超薄膜外延生长的Monte Carlo模拟

用MonteCarlo(MC)方法对超薄膜外延生长过程进行了计算机模拟.模型中引入Morse势描述粒子间的相互作用,考虑粒子的沉积、吸附粒子的扩散和蒸发三个过程.研究了粒子间相互作用范围α和允许粒子行走的最大步数对薄膜生长形貌的影响.结果表明:在不同的α值下,随粒子行走步数的增加,薄膜的生长经历了从分散、分形、混合到团聚的过程;其中α=6时,基本观察不到粒子的分散生长过程;α值越小且粒子行走步数越小的情况下,薄膜越易趋向于分散生长 关键词： 超薄膜 MonteCarlo方法 外延生长 Morse势 分形     

动力学晶格蒙特卡洛方法模拟Cu薄膜生长

利用动力学晶格蒙特卡洛方法模拟了Cu薄膜在Cu(100)面上的三维生长过程。模型中考虑了四个动力学过程:原子沉积、增原子迁移、双原子迁移和台阶边缘原子迁移,各动力学过程发生的概率由多体势函数确定。讨论了基底温度、沉积速率及原子覆盖率对Cu原子迁移、成核和表面岛生长等微观生长机制的影响;获得了Cu薄膜的表面形貌图并计算了表面粗糙度。模拟结果表明,随基底温度升高或沉积速率下降,岛的平均尺寸增大,数目减少,形状更加规则。低温时,Cu薄膜表现为分形的离散生长,高温时,Cu原子迁移能力增强形成密集的岛。Cu薄膜表面粗糙度随着基底温度的升高而迅速减小;当基底温度低于某一临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的增大而增大;当基底温度超过临界温度时,表面粗糙度随原子覆盖率或沉积速率的变化很小,基本趋于稳定。     

磁性薄膜自旋重取向行为的Monte Carlo模拟

利用Monte Carlo方法模拟了二维简单立方结构磁性薄膜的自旋重取向行为,重点研究了各向异性和偶极相互作用对系统自旋取向的影响．通过计算,获得了系统的相图以及系统组态、磁分量、比热等随偶极相互作用和温度的变化规律．模拟结果表明,在一定的参数范围内,随着温度的升高,系统的自旋取向将由垂直向平行方向转变。     

梯度场中荧光关联谱测量的Monte Carlo模拟

荧光关联谱（FCS）利用少量分子的荧光涨落获得分子运动和反应信息,是一种探测活细胞内生物过程的有力工具。本文利用Monte Carlo方法模拟激光梯度场下瑞利粒子的布郎运动,分析梯度场对FCS测量得到的扩散时间、粒子数等参数的影响,模拟与初步实验结果定性吻合。文中还讨论了Monte Carlo模拟预测的一些实验现象。     

非均质基底表面上团簇生长的Monte Carlo模拟

Monte Carlo方法模拟了在非均质基底表面上团簇的生长过程.非均质基底由规则分布的A，B两类不同性质的物质(不同材料、不同温度等)组成.沉积粒子的初动能为E₀，在不同相基底上单位长度扩散的能耗为E_A,E_B，粒子从A经过相界扩散到B的能耗为E_AB.模拟中粒子的初动能E₀.远大于E_A,E_B，粒子从B过相界到A能耗E_BA取为0.结果表明，沉积在此类基底表面的粒子凝聚成具有分形结构的团簇.当E_AB远大于E_A,E_B时，团簇的数目、团簇的回旋半径、团簇的分形维数均随E₀/E_AB呈周期性变化. 关键词： 分形团簇 非均质基底 Monte Carlo模拟 周期性     

超薄膜生长的Monte Carlo模拟研究

利用Monte Carlo(MC)方法模拟研究了薄膜生长的初始阶段岛的形貌和岛的尺寸与基底温度和入射粒子剩余能量之间的关系.模型中考虑了粒子的沉积、吸附粒子的扩散和蒸发等过程.结果表明当基底温度从200K变化到260K时,岛的形貌经历了一个从分散生长逐渐过渡到分形生长的过程,并且在较低温度(200K)下,随入射粒子剩余能量的增加,岛的形貌也经历了同样的变化过程.进一步研究证明,随着基底温度的升高或入射粒子剩余能量的增加,沉积粒子的扩散能力显著增强,从而使岛的形貌发生了改变.     

200 keV V+注入花生种子深度-浓度分布的蒙特卡罗模拟

在对植物种子靶材料进行处理和对LSS理论进行修正的基础上,用蒙特卡罗方法模拟计算了在一维和二维近似情况下,200 keV V⁺注入花生种子的深度-浓度分布,得到了与实验结果较符合的曲线.并在同样初始条件和理论模型下,计算了200 keV N⁺注入植物种子的深度-浓度分布,为研究低能离子注入植物种子深度-浓度分布提供了一种初步的理论计算方法.     

磁性单层膜磁学性质的Monte Carlo模拟

采用类Ising模型,利用Monte Carlo方法研究了磁性单层膜中退磁性偶极作用和铁磁性交换作用对系统磁学性质的影响.结果显示,随着偶极相互作用的增加,系统在低温下的磁化出现平台现象,此时磁化曲线可分为2个阶段,在低外场下,温度升高,系统易磁化,在高外场下则反之.这种新奇的磁化行为导致系统的磁熵变在低温低外场下出现大于零的反常行为.在模拟过程中,对长程力作用采用了比较精确的处理方法.     

基于光传播Monte Carlo模拟的三维模型特征提取方法

在现代工业设计、人工智能、软件设计等领域,三维模型正展现强劲需求与活力,传统三维模型特征提取方法仅能提取模型表面特征,难以满足复杂模型特征提取需求,为提高三维模型的特征提取精度,基于光谱分析以及可见光传播特性,提出一种具有高区分度的三维模型特征提取方法。首先利用光散射系数、吸收系数、各向异性等光学特性参数,量化分析光在不同介质中透射、散射、反射概率,并确定最佳光谱模拟波段;其次采用Monte-Carlo法模拟光子束在三维模型中的传播历程,获得光子束传播轨迹的角度、距离、能量等多种统计量,计算不同统计量权重,经过统计分析后完成特征提取;然后在ESB国际通用三维模型库中,测试不同光子束数量、约束空间形状对特征提取效果影响,从而确定最佳模拟参数;最后使用多种特征提取方法与光传播模拟法进行特征提取效果比较,并采用查准率、查全率以及E测度评价指标对特征提取效果进行定量测试。实验结果表明,三维模型特征提取准确度对光传播约束空间形态较为敏感,光子传播的最佳约束空间为球体;三维特征提取效率随着光子束数量升高而降低,在保证特征提取精度的前提下,10000~25000区间是光子束模拟数量的最佳取值范围;基于光传播模拟的特征提取准确度高于小波变换、距离夹角以及D2分布方法,能够满足三维模型检索需求,更适合复杂三维模型的离线特征提取与应用。结合光谱分析与可见光传播特性的模型特征提取法拓宽了光谱分析的应用范围,能够提取出融合三维模型表面特性与内部形态的有效特征,为高精度特征提取技术研究注入新动力。     

六方晶格基底上薄膜生长的Monte Carlo模拟研究

利用Monte Carlo（MC）方法,模拟研究了六方晶格基底上薄膜生长的初始阶段岛的形貌和岛的尺寸与薄膜覆盖度以及入射粒子沉积速率之间的关系. 结果表明在基底温度为300K时,岛的形貌主要表现为分形生长,随着薄膜覆盖度的增加,岛的分形枝簇变大,岛的数目不断减少. 在同样的温度下,随着入射粒子沉积速率的增大,薄膜表面的形貌逐步由少数聚集型岛核分布状态向众多各自独立的离散型岛核分布状态过渡. 进一步研究得出,薄膜覆盖度和入射粒子沉积速率对粒子扩散能力的影响最终导致岛的形貌发生了改变.