晶体相场模型及其在材料微结构演化中的应用

随着计算机技术的快速发展,计算机模拟实验在材料科学中的作用越来越突出。计算机数值模拟技术已经和实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要地从空间特征分辨尺度和时间特征尺度比较了几种重要的计算模拟方法——分子动力学(MD)、传统相场方法(TPF)和晶体相场(PFC)方法的各自适应的特征尺度范围和特点。在模拟纳观尺度的材料微结构演化,PFC在特征时间尺度上更具优势。其次,介绍了PFC模型,及其建立的物理基础和数学基础,以及该方法的特色优势。同时,介绍该PFC模型的拓展与推广,包括二元和多元体系、气-液-固三相体系、双模和多模体系的PFC模型,以及求解PFC模型的动力学方程数值计算的关键技术与主要步骤。再次,结合作者在材料微结构演化方面的研究,着重介绍PFC模型的几个重要方面的应用例子,包括材料纳观缺陷结构演化、凝固的枝晶生长和晶体外延生长、高温预熔化变形和动态回复、纳观尺度的裂纹扩展与分叉、无序-有序金属玻璃转变、石墨烯的缺陷结构、金属互联线电迁移空洞、多铁复合材料的畴结构、金属泡沫结构的生成等。最后,总结并指出PFC模型的拓展方向与今后应用的重点方面和新领域。