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相场计算方法的改进与应用

【摘要】:本文研究的出发点为材料辐照效应的相场模拟。为了与实验参数符合,传统相场方法模拟过程中存在一些问题,例如,在核材料受辐照后形成空洞的演化过程中,空位浓度极低,求解Cahn-Hilliard方程变得异常复杂。在传统的相场计算方法中,材料的自由能函数往往采用Landau多项式,界面能采用扩散界面(Diffuse-interface),很难用合适的朗道系数来拟合真实辐照下的空位浓度。因此,我们产生了发展更加适合的相场模型的想法。基于对速率理论的继承和受锂电池枝晶生长相场模型的启发,我们发展了一套适用于溶质陡峭界面的基于扩散-反应的相场模型。在该模型中,将新相的形核长大过程视为新相和溶质在相界面的反应,并对扩散方程进行了修正以添加反应项。我们将该模型应用于辐照损伤领域,研究了空洞在不同辐照强度下的形核长大过程,多晶体系下的空洞演化,辐照的深度效应,三维辐照模拟和界面能效应,发现很好的解决传统模型的常见问题:例如空位浓度可以接近实验值而且模拟的时间尺度得到了显著提高。然后,我们进一步扩展了反应扩散相场模型,发展了耦合弹性能的扩散-反应相场方法,并将该模型应用到氢化物的演化体系和多元合金生长体系中,得到了空间各向异性析出相形貌。在反应扩散相场模型的基础上,我们还发展了相场势表方法,摆脱了拟合系数的复杂,使得相场模型全数字化。最终我们开发了一套基于MPI和GPU的并行化相场程序计算包,易于开发,集成了长程相互作用解法器,对大尺度高精度的相场模型提供了更方便的工具。我们使用程序包模拟了多铁材料中大尺度拓扑涡旋畴的动力学演化和聚合物中磁性颗粒的演化,很好的解释了实验。

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