Microstructure Evolution of Solid Oxide Fuel Cell Anodes Characterized by Persistent Homology
揭示伴随固体氧化物燃料电池长期运行的微观结构演变机制是设计未来更耐用能源系统的根本挑战。迄今为止，燃料电池堆退化的研究主要集中在电化学性能上，很少集中在平均微观结构参数上。在这里，我们展示了另一种方法，其中的三维微观结构特征的演变进行了研究，使用电子断层扫描加上拓扑数据分析。后者在电极长期操作之前和之后产生微观结构的持久图像。这些图像揭示了对三个相关阶段的降解过程的新见解：镍，孔隙和钇稳定的锆。
2022-12-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Mapping of Microstructure Transitions during Rapid Alloy Solidification Using Bayesian-Guided Phase-Field Simulations
本研究结合高保真相场模拟与贝叶斯主动学习方法，绘制Fe-Cr合金快速凝固中微观组织转变图谱，验证经典KGT模型的预测准确性并发现低G下的中间型微观组织，为合金工艺参数设计提供计算工具。
2025-08-01 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure-Resolved Impedance Modeling of Solid-State Batteries
The Ohio State University（俄亥俄州立大学）
本文提出一种微观结构分辨的阻抗建模框架，预测固态电池Li/Li6PS5Cl/Li对称电池的阻抗谱，揭示孔隙率、接触和SEI相的影响，并展示AI分割实验图像直接预测阻抗的路径。
2026-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and velocity of field-driven solid-on-solid interfaces moving under stochastic dynamics with local energy barriers
本文研究了（1+1）维固体-固体界面的微观结构和稳态传播速度，该界面在一个外力（如磁场或（电）化学势差）作用下远离平衡态.我们使用解析非线性响应近似[P.A. Rikvold和M. Kolesik，J. Stat. 100，377（2000）]以及动力学蒙特卡罗模拟。在这里，我们考虑的界面下移动的阿克里欧斯动力学，其中包括允许伊辛/晶格气体状态之间的微观能垒。研究了两种不同的动力学：标准的一步动力学（OSD）[H. C. Kang和W. Weinberg，J.Chem.Phys.90，2824（1992）]和两步跃迁动力学近似（TDA）[T. Ala-Nissila、J. Kjoll和S.C. Ying，Phys.Rev.B46，846（1992）]。在OSD中的作用力和模型中的相互作用能的影响在转变率中分解（软动态），而在TDA中这样的分解是不可能的（硬动态）。在完全符合以前的一般理论结果，我们发现，下TDA的局部界面宽度显着增加所施加的力。与此相反，界面结构与OSD的影响很小的力，定性与理论预期。结果也得到了力的依赖性和各向异性的界面速度，这也显示出良好的一致性与软，硬动力学之间的差异的理论预期的差异。我们的研究结果证实，不同的随机界面动力学，所有服从细致平衡和相同的守恒定律，但可以导致从根本上不同的接口响应所施加的力。
2006-01-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Microstructure of Silicon Anodes in Solid-State Batteries -- From Crystalline to Amorphous
该研究利用低温STEM揭示了微晶硅负极在固态电池循环中从晶态到非晶态的微观结构演变，指出需经多次循环才能形成稳定结构，为优化电极设计以减少开裂提供了依据。
2025-07-22 cond-mat.mtrl-sci
On the role of the microstructure in the deformation of porous solids
本研究探讨的作用，微观结构在确定的宏观静态响应的多孔弹性连续体和暴露的位置相关的非局部效应的发生是严格相关的微观结构的配置。然后，发展了一种基于变阶分数阶微积分的非局部连续介质理论，以准确地捕捉复杂的空间分布的非局部响应。通过模拟多孔梁的非线性热弹性响应，说明了分数阶方法的巨大潜力。在精度和计算效率方面评估的性能与完全解析孔隙几何形状的高保真有限元模型直接对比。结果表明，多孔微结构的降阶表示，捕获的合成变量-序参量，提供了一个强大的和准确的多尺度材料结构的表示，大大优于基于平均孔隙率的概念的经典方法。
2022-09-29 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph
Kinetic equations and level-set approach for simulating solid-state microstructure evolutions at the mesoscopic scale: state of the art, limitations, and prospects
本文综述了用于介观尺度固态微观组织演化模拟的水平集方法的基础、多晶材料领域发展、最新进展与现存局限，探讨未来方向，并在热金属成形场景下重述晶界迁移动力学方程。
2023-08-30 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
Morphological stability of solid-liquid interfaces under additive manufacturing conditions
了解与增材制造（AM）相关的速度下的快速凝固行为对于控制微观结构选择至关重要。虽然原位可视化凝固动力学现在是可能的，系统的研究AM条件下的微观结构的结果相比，凝固理论仍然缺乏。在这里，我们测量固体-液体界面速度的Ni-Mo-Al合金单晶AM条件下与同步辐射X射线成像，表征的微观结构，并显示与经典理论的差异，关于平面固液界面的绝对稳定的起始速度。实验观察表明，细胞/树枝状微观结构可以持续在速度大于预期的绝对稳定性极限，带状结构的形成理论上应该出现。我们表明，理论和实验观察可以调和适当占溶质捕集和动力学过冷的速度依赖的合金的固相线和液相线温度的影响。进一步的理论发展和关键的热物理参数的准确评估-如液体扩散系数，固-液界面过剩自由能，和动力学系数-仍然需要定量研究这种差异，并铺平道路的预测和控制的微观结构选择快速凝固条件下。
2023-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Computer simulation of the microstructure and rheology of semi-solid alloys under shear
本文研究了低固相率（<50%）范围内固液两相金属合金的流变行为。这种行为取决于固体分数和剪切速率。有效体积分数（EVF）的概念是用来去相关这两个参数的影响。在高剪切速率下，浆料表现得像硬球的悬浮液，而在较低剪切速率下，颗粒倾向于聚集成簇，截留液体，从而增加EVF和粘度。引入格子模型来模拟剪切作用下浆体的聚集/破碎过程。当达到稳定状态时，计算截留的液体分数，从而得到粘度估计。粘度和三维团簇结构的模拟结果与实验结果吻合较好。
2000-06-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Kinetics of coherent order-disorder transition in $Al_3 Zr$
在相场方法，考虑到应变诱导弹性，相干有序-无序转变的动力学研究的特定情况下的$Al_3 Zr$合金。结果表明，立方$L1_2$沉淀物的微观结构出现在一个均匀的无序的固溶体分解成一个微观结构的过程中的瞬态与tetraphylocene $DO_{23}$沉淀物嵌入到一个无序的矩阵。在足够低的温度下，在弱内应力的作用下，仅$L1_2$沉淀物在$DO_{23}$沉淀物成核之前的瞬时微观结构中生长，该成核仅发生在固溶体与$L1_2$沉淀物的界面处。在纳米尺度下的微观结构的分析显示了一个特征棒形状的$DO_{23}$沉淀物，由于其tetraphite对称性和它们的大的内应力的组合。
2001-09-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Phase selection and microstructure of slowly solidified Al-Cu-Fe alloys
寻找制备大块单相准晶Al-Cu-Fe合金的有效方法是目前的一个重要课题。解决这一问题的关键是了解该系统中相形成的机制。本文研究了不同成分的Al-Cu-Fe合金在缓慢凝固过程中的晶化顺序以及固相形成的条件。用差热分析方法建立了过冷度的浓度依赖关系。这些实验结果进行了比较，从\textit{ab initio}分子动力学模拟确定的液体状态的化学短程顺序的数据。我们观察到Al-Cu-Fe合金中原子间相互作用的主要特征在液态和固态下是相似的，它们在i相成分附近发生变化。在i相从熔体形成的浓度区，过冷度和结晶特性都取决于冷却前熔体的温度。
2019-06-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A particle-based approach for the prediction of grain microstructures in solidification processes
针对凝固过程晶粒微观结构预测的计算局限性，提出一种基于拉格朗日粒子的晶粒包络跟踪方法，能预测固定晶粒竞争生长和柱状-等轴转变，通过基准测试验证并与激光焊接模型耦合，提升宏观尺度模拟能力。
2025-04-17 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and Velocity of Field-Driven SOS Interfaces: Analytic Approximations and Numerical Results
本文用解析平均场非线性响应理论研究了具有单自旋翻转Glauber动力学的二维运动Ising铁磁体中固-固界面的局域结构。Rikvold和M. Kolesik，J. Stat. 100，377（2000）]和动态蒙特卡罗模拟。通过分析和模拟，得到了表面中单个台阶高度的概率密度。的概率密度的宽度被发现显着增加与所施加的字段的大小，与理论预测和模拟结果之间的密切协议。理论和模拟之间的良好协议也被发现的场依赖性和各向异性的界面速度。通过仿真得到了最近邻台阶高度的联合分布。它显示出随着场的增加而增加的相关性，类似于在生长表面的其他例子中观察到的偏斜。
2002-04-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Three-dimensional patterning of solid microstructures through laser reduction of colloidal graphene oxide in liquid-crystalline dispersions
石墨烯材料和结构已成为现代电子和光电子学的重要组成部分。然而，尽管有许多生产方法，但石墨烯基结构的应用受到高成本、缺乏可扩展性和空间图案化限制的阻碍。在这里，我们使用脉冲近红外激光在氧化石墨烯薄片的溶致液晶中制造还原氧化石墨烯的三维功能固体微结构。这种可靠的、可扩展的方法是无掩模的，不需要特殊的化学还原剂，并且可以在环境条件下从水性氧化石墨烯薄片开始实施。氧化石墨烯薄片在自组装液晶相中的取向有序使得能够激光图案化具有薄片的“冻结”取向有序的复杂的三维还原氧化石墨烯结构和胶体颗粒，例如三叶结。这些结构和颗粒具有机械刚性，尺寸从数百纳米到毫米不等，适用于胶体、电子、光子和显示技术。
2016-12-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.optics
Numerical model of solid phase transformations governed by nucleation and growth. Microstructure development during isothermal crystallization
本文提出了一个简单的数值模型，计算了随机分布形核和各向同性生长的结晶动力学。该模型可以应用于不同的热历史，没有限制的时间和温度的成核和生长速率的依赖关系。我们还开发了一种算法，评估相应的新兴的粒度分布。该算法易于实现，特别灵活，使其能够模拟几个实验条件。它的简单性和最低的计算机要求允许高精度的二维和三维生长模拟。该算法被应用于探索几个形核制度的等温处理过程中的晶粒形态发展。特别是，热成核，预先存在的核和这两种成核机制的组合进行了分析。对于前两种情况，得到了普遍的晶粒尺寸分布。该模型的高精度是从它的分析预测比较。最后，Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami模型的有效性进行了验证的所有情况下研究。
2008-11-14 cond-mat.mtrl-sci
Machine Learning Enabled Graph Analysis of Particulate Composites: Application to Solid-state Battery Cathodes
Department of Materials Science and Engineering, University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系）；Walker Department of Mechanical Engineering, University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校沃克机械工程系）
本文提出一种基于机器学习的框架，将多模态X射线图像转化为拓扑感知图，用于分析颗粒复合材料的微观结构与性能关系，以固态电池正极为例验证了三相交点和离子/电子传导通道的重要性。
2026-05-16 cond-mat.mtrl-sci cs.CV
Vertex and front-tracking methods for the modeling of microstructure evolution at the solid state: a brief review
本文简要综述了介观尺度微观组织演化建模中的顶点法和前沿追踪法，重点介绍其显式界面表示、拉格朗日运动增强分辨率及在界面相关物理机制中的优势，并讨论了三维拓扑事件挑战及近期在计算效率和晶粒内现象应用方面的进展。
2025-10-21 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
Microstructural and compositional design principles for Mo-V-Nb-Ti-Zr multi-principal element alloys: a high-throughput first-principles study
由于多主元素合金（MPEAs）的成分空间很大，合理设计MPEAs以优化其微观组织是困难的。因此，高通量的第一性原理研究的Mo-V-Nb-Ti-Zr，耐火MPEA，进行深入了解底层的微观结构。使用蒙特卡罗模拟供电的集群扩展，我们发现的原则，管理MPEA的微观结构在一个大的组成空间，包括非等原子的组合物，并包括组成的二元，三元和四元。在休谟-Rothery规则的精神完全固溶度，我们提出了一个定量的表达式预测固溶体形成的组合物。在一个一致的框架内，我们的研究结果再现微观结构的观察（固溶体与偏析）从许多实验，并提供微观结构的预测，在成分空间中的未探索的地区。我们的工作阐明了MPEA的微观结构中的元素的分离和聚类趋势，提出了一套简单但功能强大的设计原则，为未来的实验，合理设计MPEA与所需的微观结构，优越的机械性能。
2021-05-04 cond-mat.mtrl-sci
Fabrication of ice-templated tubes by rotational freezing: microstructure, strength, and permeability
我们展示了一种简便和可扩展的技术，旋转冷冻，生产多孔管状陶瓷支持径向排列的孔隙率。该方法是基于一个传统的冰模板过程中的旋转模具，并证明在这里与氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）。我们研究了固体负载，冻结温度，和浆料的体积的微观结构，强度（O形环测试和四点弯曲），和透气性的影响。结果表明，孔体积和孔径大小可分别由固相含量和凝固温度控制，而管壁总厚度可由初始浇注到模具中的浆料量调节。减小孔径和孔体积增加了机械性能，但降低了透气性。这些管作为管状膜支撑物如氧输送膜可能特别令人感兴趣。
2016-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Topology-Informed Machine Learning for Efficient Prediction of Solid Oxide Fuel Cell Electrode Polarization
AGH University of Krakow（克拉科夫AGH科技大学）
本文提出基于计算拓扑持久性图像表示的人工神经网络方法，利用500组三维第一性原理模拟数据训练，可快速准确预测固体氧化物燃料电池电极极化曲线。
2024-10-04 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
A computationally efficient and mechanically compatible multi-phase-field model applied to coherently stressed three-phase solids
工程合金通常表现出多相微观结构。对于模拟固态相变过程中的微观结构演变，CALPHAD引导的多相场模型与细观力学耦合已被证明是一种可靠的模拟工具。然而，它们的效率和精度仍然取决于均匀化方案用于插值的弹性性能在界面区域。在本文中，我们提出了一个相场模型的多相和多组分固体使用部分秩一均匀化计划，强制执行静态和运动学的界面区域的兼容性。为此，我们首先将秩一均匀化方案扩展到多相系统。此外，为了提高计算效率，我们解析求解了线弹性三相固体的静态相容性方程。为了定量的准确性，耦合技术是用来提取的先决条件的热力学和动力学性质的CALPHAD数据库。该模型是在一个开源的有限元框架数值求解。作为数值模拟的应用，对两种弹性应力下含金属间化合物的三相合金Ni-Al和Al-Cr-Ni的微观组织进行了模拟。模型的准确性进行了验证，对平面和同心环接口解析获得的解决方案。我们表明，模拟结果保持不变，不同的界面宽度。除了一个模拟，所有的情况下显示更好的或几乎相等的收敛性相比，使用部分秩一计划的Voigt-Taylor计划。
2023-01-04 cond-mat.mtrl-sci
Magnetic Binary Supersaturated Solid Solutions Processed by Severe Plastic Deformation
由一个铁磁性和一个抗磁性的成分，在热力学平衡（Co-Cu，Fe-Cu，Fe-Ag）是不混溶的样品进行处理，通过高压扭转在各种组合物。通过电子显微镜和同步辐射X射线衍射研究了所得到的微观结构，显示出微观结构饱和。从微观结构的调查所获得的结果相关的磁力数据。Co-Cu样品主要表现出铁磁性，但随着Co含量的增加，样品的磁性降低。Fe-Cu合金的饱和组织为双相组织。磁测量结果也揭示了两个不同的磁相在这个系统中的发生。对于Fe-Ag，显微组织和磁性的结果表明，元素相之间没有发生互混。
2020-09-07 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure and Soft Glassy Dynamics of Aqueous Laponite Dispersion
合成锂蒙脱石粘土Laponite RD/XLG由盘状纳米颗粒组成，当悬浮在水性介质中时，这些纳米颗粒获得不同的电荷。由于其自发自组装的特性，Laponite被用作各种商业水基产品中的流变改性剂。特别地，Laponite的水分散体在约1体积%浓度下经历液体到固体的转变.随着分散体转变为固态，物理性质的演变使人想起分子和胶体玻璃中的物理老化。在文献中已经广泛地研究了锂皂石水分散体的相应的软玻璃态动力学，包括流变行为。在这篇专题文章中，我们概述了在理解软玻璃态动力学方面的最新进展，以及为理解特殊的流变行为所做的各种努力。此外，不断发展的微观结构，负责最终形成软固体，支持其自身重量对抗重力，也一直是激烈辩论和讨论的主题。特别是广泛的实验和理论研究，导致两种类型的微结构为这个系统：一个有吸引力的凝胶状或排斥玻璃状。我们仔细研究和批判性地分析文献，并提出了一个状态图，表明水性Laponite分散体是存在于一个有吸引力的凝胶状态。
2018-12-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Smoothed Boundary Method Framework for Electrochemical Simulation of Li-ion Battery Cathode with Complex Microstructure: Model, Formulation and Parameterization
本文提出一种基于平滑边界方法的电化学模拟框架，用于研究复杂电池电极微结构的电化学动态，通过实验重建的3D微结构和实验参数，比较两种锂化机制模型，揭示复杂正极微结构的动力学，并指出Fick扩散在两相锂化中的局限性。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Sampling the Cu-Fe-Co phase diagram by severe plastic deformation for enhanced soft magnetic properties
通过高压扭转使Cu、Fe和Co的初始粉末混合物经受剧烈的塑性形变以制备固溶体。广泛的组合物进行了研究，而本研究的目的是合成的软磁材料，因此在形成一个均匀的纳米晶微观结构。对于中等铁磁含量，在室温下高压扭转产生单相过饱和固溶体。对于更高的铁磁含量，在不同温度下的两个连续步骤的高压扭转变形产生所需的纳米晶微观结构。取决于Co与Fe的比率，形成单相过饱和固溶体或纳米复合材料。该复合材料表现出增强的磁矩，表明在严重的塑性形变时形成（Fe，Co）-合金。对于大的Co/Fe比，验证了软磁性能，并且发现这种微结构在高达400 °C时保持稳定。
2021-04-06 cond-mat.mtrl-sci
High-fidelity level-set modeling of diffusive solid-state phase transformations for polycrystalline materials
针对多晶尺度下相变与晶界迁移割裂的问题，提出耦合 ThermoCalc、支持多元合金与形核建模的高保真水平集框架。
2024-05-01 cond-mat.mtrl-sci cs.CE
Solid solution decomposition and Guinier-Preston zone formation in Al-Cu alloys: A kinetic theory with anisotropic interactions
利用统计动力学理论的方法参数化的第一性原理原子间的相互作用，包括化学和应变的贡献，我们研究了分解和微观结构的形成在Al-Cu合金的温度和合金浓度的函数的动力学。我们发现，铜的固溶体形成血小板，被称为Guinier-Preston（GP）区，包括几个阶段，从GP 1到GP 2区的过渡主要是由动力学因素决定的分解。随着温度的升高，该模型预测从片状沉淀物的等轴的，并在中间温度下，两种沉淀物的形态可能共存的逐渐过渡。
2017-11-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Optimizing Ti substitution for the enhanced densification, ionic conductivity, and microstructure of garnet-type Li$_7$La$_3$Zr$_2$O$_{12}$ solid electrolytes
Visvesvaraya National Institute of Technology（维斯瓦萨瓦尔亚国家理工学院）
通过Ti掺杂优化Li$_7$La$_3$Zr$_2$O$_{12}$固体电解质，发现Li$_7$La$_3$Zr$_{1.9}$Ti$_{0.1}$O$_{12}$在室温下离子电导率提高一个数量级，达$8.08\ imes 10^{-5}$ S/cm，活化能最低为0.37 eV。
2026-07-01 cond-mat.mtrl-sci
Non-affine fields in solid-solid transformations: the structure and stability of a product droplet
我们描述的微观结构，形状和动力学的马氏体成核的母奥氏体在固-固转变过程中的液滴的生长，使用朗道理论写在传统的仿射，弹性形变和{ \em非仿射}自由度。非亲和性，$ϕ$，作为一个来源的应变不相容性和屏幕远程弹性相互作用。它产生于局部应力超过阈值的地方，然后扩散退火。当可能在变换过程中产生的缺陷对之间的间隔很小时，根据$ϕ$的描述是不可避免的。使用变分计算，我们找到了三种类型的稳定的解决方案（{ \hv I}，{ \hv II}和{ \hv III}）的产品液滴的结构取决于缩放迁移率的$ϕ$平行和垂直于父产品界面和应力阈值。在{ \hv I}中，$ϕ$非常小，{ \hv II}涉及位于母体-产品界面内高应力区域的大$ϕ$，{ \hv III}中$ϕ$完全润湿母体-产品界面。虽然在解{ \hv I}中孪晶的宽度$l$和尺寸$W$遵循$l\propto\sqrt{W}$，但这种关系对于{ \hv II}或{ \hv III}不成立。我们获得了以这些溶液为特征的动态相图，并认为它们代表了特定的微观结构，例如孪生或错位的马氏体。
2011-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Microstructure evolution and heterogeneous nucleation in ternary Al-Cu-Ni alloys
采用多相场模型对三元Al-Cu-Ni合金的凝固过程进行了模拟，结果表明，通过耦合各相的真实热力学参数和演化方程，可以得到真实的微观组织。对模型函数的各个界面的稳定性要求保证了在$n$维相场空间中不存在“鬼”相。特别构造的热噪声项干扰了稳定性，并可根据能量和浓度条件产生产物相的异相成核。特别感兴趣的是，在三相点中，第四相的成核发生而没有额外的噪声。另一个观察结果是在各种合金中的共晶状或包晶状结构的生长。
2013-07-12 cond-mat.mtrl-sci
Propagation of elastic waves in a flexomagnetic solid
National Center for Computational Sciences, Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室计算科学中心）
研究铁磁性材料中弹性波的传播特性，揭示其与微结构和应变梯度的相互作用导致的色散、衰减及非传播波模式。
2026-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A novel Grand-Potential Phase-Field Lattice-Boltzmann model for multi-phase solidification with convection
Indian Institute of Science（印度科学学院）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Indian Institute of Technology Madras（印度理工学院马德拉斯分校）
本研究开发耦合大势相场模型与格子玻尔兹曼方法的计算框架，模拟带对流的多相凝固，揭示对流对合金凝固微观结构演化的影响机制。
2026-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Crack-path selection in phase-field models for brittle fracture
这项工作提出了一个关键的概述模型制定的不同方面的影响，在准静态相场断裂裂纹路径选择。我们考虑不同的演化方法，力学公式，断裂耗散能公式，和形式的不可逆性条件。不同的模型变体是通过基于FFT的求解器，基于相场和力学子问题的交错求解的常用数值方法来实现的。这些方法将标准方法与新的元素混合在一起，例如使用相场子问题的有界约束共轭梯度和近平衡演化的启发式方法。我们研究了简单模型系统和随机异质杨氏模量的微观结构模型变量之间的裂纹路径的差异。我们的研究结果表明，近平衡演化方法是更好的准静态断裂的异质微结构相比，最小化和时间相关的方法。在检查力学公式，我们发现显着的影响，裂纹驱动力和接触模型隐含在相场断裂。我们的研究结果有利于使用应变谱分解的裂纹驱动力，但不是接触模型。不可逆条件和断裂耗散能公式也被发现影响裂纹路径的选择，但系统的影响是很难推断出由于整体的敏感性裂纹选择内的非均匀微观结构。我们的研究结果支持使用的AT1模型的AT2模型和不可逆的相场内的裂纹集，而不是整个域。通过降低裂纹宽度参数$\ell$（相对于随机微结构的尺寸尺度），降低了对配方中这些差异的敏感性，但并未消除。
2022-03-30 cond-mat.mtrl-sci
3D microstructure characterization of Cu 25Cr solid state sintered alloy using X-ray computed tomography and machine learning assisted segmentation
本研究利用XCT和机器学习辅助分割方法对固态烧结Cu-25Cr合金的孔隙和Cr相进行3D表征，发现界面孔隙占总孔隙75%以上并形成互连网络，为优化合金性能提供了依据。
2023-11-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Two Modes of Solid State Nucleation - Ferrites, Martensites and Isothermal Transformation Curves
当结晶固体如铁在结构转变过程中被冷却时，其最终的微观结构敏感地取决于冷却速率。例如，在过渡过程中绝热冷却会产生平衡的“铁素体”，而快速冷却则会产生亚稳的孪晶“马氏体”。目前还没有理论框架来理解这两种微观结构获得的动力学和条件。现有的马氏体动力学理论用弹性应变描述了这种转变，而没有对铁素体的出现做出任何解释。在这里，我们提供了非弹性变量{ \it即}所起的关键作用的证据，动态生成的界面缺陷。一个分子动力学（MD）模拟的模型2维（2D）的固态转变揭示了两种不同的成核模式取决于淬火温度。在高温下，在成核前沿产生的缺陷迅速松弛，从而产生各向同性生长的“铁氧体”。在低温下，缺陷的松弛非常缓慢，迫使原子沿着特定方向协调运动。这导致了一个孪生的临界核，它以与声音相当的速度迅速增长。基于我们的MD结果，我们提出了一个固态形核理论，涉及弹性应变和非弹性缺陷，成功地描述了铁素体和马氏体的转变。我们的工作提供了有用的见解，如何制定一个一般的动力学固态转换。
2001-08-17 cond-mat.mtrl-sci
The role of austenite twins on variant selection during bainitic decomposition of a low carbon (0.06 wt%) steel
University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）
研究通过显微镜和EBSD技术分析低碳钢分解过程中奥氏体孪晶对变体选择和晶粒生长的影响，揭示了高温晶界特征对显微结构设计的潜力。
2026-09-28 cond-mat.mtrl-sci
Comparison of two artificial neural networks trained for the surrogate modeling of stress in materially heterogeneous elastoplastic solids
RWTH Aachen（亚琛工业大学）；MPIE Düsseldorf（杜塞尔多夫马克斯·普朗克钢铁研究所）
本工作的目的是系统地比较两个人工神经网络（ANN）的应用程序的代理建模的应力场在材料异质周期性多晶微结构。第一个ANN是用于周期性数据的基于UNet的卷积神经网络（CNN），第二个ANN基于傅立叶神经算子（FNO）。这两个训练，验证和测试结果的边界值问题（BVP）的准静态力学平衡的周期性晶粒微结构与方形域的数值解。更具体地说，这些人工神经网络进行了训练，使材料性能的空间分布与单轴拉伸载荷下的平衡应力场相关联。由此产生的训练的人工神经网络（tANN）计算的应力场为一个给定的微观结构的1000（UNet）到2500（FNO）倍的速度比相应的BVP的数值解。对于测试数据集中的微观结构，基于FNO的tANN，或简称FNO，比基于UNet的对应物更准确;前者不同应力分量的归一化平均绝对误差为0.25-0.40%，而后者为1.41-2.15%。FNO中的误差仅限于晶界区域，而U-Net中的误差也来自晶粒内部。与U-Net相比，FNO中的误差对空间分辨率的大变化以及颗粒密度的小变化更鲁棒。另一方面，U-Net中的误差对边界框纵横比的变化具有鲁棒性，而FNO中的误差随着域变为矩形而增加。然而，这两种tANN都不能再现强应力梯度，特别是在应力集中区域周围。
2022-10-31 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Effect of substrate roughness and material selection on the microstructure of sputtering deposited boron carbide thin films
无定形碳化硼（B4 C）薄膜是迄今为止用于基于10 B的中子探测器中的中子转换层的最流行的形式，这是响应于用于中子探测的标准材料3 He的日益稀缺和价格的探测器技术的上升趋势。B_4C薄膜的微观结构与转换层的密度、附着力等重要性能密切相关，最终影响探测器的探测效率和长期稳定性。为了研究不同粗糙度和不同材料的衬底对B4 C薄膜的影响，采用直流磁控溅射法，在衬底温度为623 K的条件下，分别在抛光的Si衬底和未抛光的Si、Al、Ti和Cu衬底上沉积了B4 C薄膜。在SEM图像中通常观察到的锥形柱状晶粒和结节状缺陷表明在晶粒周围引入空隙的强烈阴影效应。晶粒尺寸的变化并没有表现出直接依赖于基板的粗糙度，从表面轮廓，也没有获得的膜的质量密度，从反射率图案。然而，具有不均匀尺寸的柱状晶粒的膜沉积在具有高偏斜度的衬底上，导致质量密度从表列体积密度的~ 95%下降到~ 70%。另一方面，在不同粗糙度的Al、Ti和Cu上沉积的B_4C薄膜具有相似的微观结构和质量密度，并通过横切附着力测试观察到良好的附着力，表明在中子探测器常用结构材料上溅射沉积B_4C薄膜的可靠性。
2022-01-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
Grain Boundary Space Charge Engineering of Solid Oxide Electrolytes: Model Thin Film Study
本研究针对多晶离子固体晶界传输特性难以精确控制的问题，通过利用衬底阳离子元素更高的晶界扩散率修饰钆掺杂CeO₂模型薄膜的晶界化学，实现了高达12个数量级的离子晶界电阻调控，为固态电化学器件性能提升提供了新方法。
2025-04-14 cond-mat.mtrl-sci
Deep Learning-Driven Microstructure Characterization and Vickers Hardness Prediction of Mg-Gd Alloys
School of Computer Engineering and Science（计算机工程与科学学院）；Shanghai University（上海大学）；School of Computing and Information（计算与信息学院）；University of Pittsburgh（匹兹堡大学）
提出融合元素成分与显微组织图像特征的多模态深度学习框架，利用Transformer回归模型预测固溶态Mg-Gd合金维氏硬度，R^2达0.9，并通过SHAP揭示关键设计因素。
2024-10-27 cond-mat.mtrl-sci cs.CV cs.LG
Grain boundaries control lithiation of solid solution substrates in lithium metal batteries
本研究针对锂金属电池固溶体基底锂化机制不明的问题，通过近原子尺度关联探测发现大角度晶界主导锂化形核，微观结构的动力学与力学约束决定锂化过程，为优化电极性能、抑制枝晶提供了依据。
2024-07-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Effect of ZrH2 particles on the microstructure and mechanical properties of IN718 manufactured by selective laser melting
研究了Zr（以ZrH2颗粒形式）对激光选区熔化IN718镍基高温合金显微组织和力学性能的影响。通过仔细选择工艺参数可以获得完全致密的合金。ZrH2的添加没有改变合金的微观结构，但引入了直径约50 nm的富Zr球状颗粒的分散体，这增加了印刷材料在环境温度（23 ℃）和高温（550 ℃）下的强度。热处理的增溶，然后老化导致的γ”沉淀物，控制合金的强度，这是独立的添加Zr的精细分散。热处理后的材料在550 ℃变形时出现动态应变时效。最后，无论热处理和温度如何，垂直于成型方向变形的IN718的强度高于沿成型方向变形的强度。计算均匀化模拟表明，各向异性与强织构。
2021-03-20 cond-mat.mtrl-sci
Velocity selection problem for combined motion of melting and solidification fronts
本文讨论了两个移动固液界面的自由边界问题，这两个界面通过它们之间的液体层中的扩散场强烈地相互作用。这个问题出现在固体合金部分熔化过程中的液膜迁移（LFM）的背景下。在LFM机制中，系统选择由液膜中的扩散控制的更有效的动力学路径，而仅具有一个熔融前沿的过程将由母固相中的非常缓慢的扩散控制。相对较弱的相干应变能是线性调频的有效驱动力。在经典的枝晶生长问题，也在这种情况下，一个精确的家庭的稳态解与两个抛物线的前线和任意的速度存在，如果忽略毛细效应。我们发展了一个速度选择理论，包括各向异性表面张力的影响。与经典枝晶生长相比，熔化前沿附近固体中的强扩散相互作用和相干应变效应导致了实质性的变化。
2005-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Common high-performance semiconducting polymers are not amorphous but semi-para-crystalline
半导体聚合物固态微结构的精确测定对于这些材料在各种有机电子技术中的进一步发展至关重要。然而，以前的半导体聚合物的有序特性往往会导致难题，其中X射线散射和显微镜产生看似矛盾的结果。在这里，基于快速扫描量热法，我们首次介绍了半对位结晶度的概念和对位结晶度（有序体积/质量分数）的测量在一组材料，以前逃避理解。结合晶格畸变的测定，在准晶体（g-参数从X-射线散射）和纳米形态学，完整的固态微观结构与设备性能。我们的数据表明，这些材料中的长程载流子输运对准晶体单元的互连比对结构有序度本身更敏感。
2021-03-29 cond-mat.mtrl-sci
Multiphase imaging of freezing particle suspensions by confocal microscopy
冰模板法是制备多孔陶瓷的一种成熟工艺。由于结构/性能的关系，它是必要的，以更好地了解和控制凝固微观结构。冰模板是基于通过生长冰晶来分离和集中颗粒。到目前为止，我们对这一过程的理解是基于光学或X射线成像技术的观察，或者基于冰模板材料的表征。然而，在粒子尺度上的原位观测仍然缺失。在这里，我们表明，共聚焦显微镜可以提供多相成像的冰的生长和分离和组织的颗粒。我们说明了我们的方法的好处与观察颗粒和孔隙冰在冻结结构，冻结前形态的动态演变，以及PVA添加对凝固微观结构的影响。这些结果特别证明了在冰模板过程中控制温度梯度和生长速率的重要性。
2017-12-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Crystallization and non-crystallization of Lennard-Jones particles studied by molecular dynamics simulation
LJ（lattice Lennard-Jones）固体的优点、模拟体系的晶格识别以及液态和非晶态固体的微观结构是凝聚态物理和材料科学中的三个重要问题。采用分子动力学（MD）模拟方法，在不设定初始Bravais点阵的情况下，研究了LJ粒子的结晶和非结晶过程。为了识别模拟系统的Bravais晶格，提出了两个分布函数，一个粒子与其最近邻粒子之间的角度和粒子之间的距离。通过比较这两个分布函数与理想布拉菲点阵的分布函数，并检查模拟系统的粒子排列，可以进行最终的识别。我们的结果表明，模拟系统显示面心立方（fcc）晶格或六方密排（hcp）晶格。在结晶温度附近，非晶态体系的微观结构与LJ液体的相似，与晶态体系相比，不存在次近邻有序。本文提出了一种研究材料微观结构及其演化的新方法，为大规模粒子系统的分子动力学模拟奠定了基础。
2018-06-18 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Nonlinear photoionization of transparent solids: a nonperturbative theory obeying selection rules
本文给出了透明固体光电离的非微扰理论。通过应用一种特殊的最速下降方法，我们推导出了两能带结构模型中光电离率的解析表达式，该表达式始终解释了与吸收光子数（$odd$或$even$）的奇偶性相关的$selection$ $rules$。我们证明了至关重要的作用的过渡振幅的干扰（鞍点），这在半经典的限制，可以解释在干涉量子轨迹。Keldysh的激光物理基础工作[Sov. JETP 20，1307（1965）]忽略了这种干扰，导致违反了$selection$ $rules$。我们提供了一个改进的Keldysh光电离理论，并显示其良好的协议与测量的频率依赖性的双光子吸收和非线性折射率系数的双光子晶体。
2017-06-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Efficient Semi-Automated Material Microstructure Analysis Using Deep Learning: A Case Study in Additive Manufacturing
本文提出一种半自动主动学习分割框架，通过U-Net网络与交互式用户标注界面及核心集图像选择策略，提升材料图像分割效率，减少人工标注时间65%，并用于缺陷分类与工艺参数映射。
2026-03-14 cond-mat.mtrl-sci cs.CV cs.LG
