晶界的多尺度连续性建模与数值模拟

Grain boundary (GB) is a two-dimensional defect in material, its structure and properties have strong effects on the mechanical properties of materials, therefore the understanding of the GB structure and its energy is crucial for the research of the performance of materials. However, the GB structure is influenced by both the long-range elastic interaction within the crystals and the short-range atomic interaction adjacent to the boundary such that it is hard to study the properties of GB by current approaches. This proposed project will focus on developing the multiscale continuum models for GBs based on the Generalized Peierls-Nabarro (GPN) framework which had been successfully applied to describe the structure of curved dislocations, twist GBs and interlayer defects in bilayer materials, solving the partial differential equations derived from the model numerically to study the structures and energetics of GBs, and proposing the simplified analytical models for GBs. In this proposed project, the applicants will develop the multiscale models for the tilt GBs, the mixed GBs and also the semi-coherent GBs based upon the GPN framework, these models can be used to study the properties of GBs by high-throughput computational approach; meanwhile the obtained structures/energetics relationship of GBs can be integrated into the existing continuum framework of materials and give better predictions for the mechanical behavior of materials.

晶界是一种二维材料缺陷，它的结构与性质对材料的力学性能有着很大的影响，因此对晶界结构、能量及两者之间的关系的理解将有助于促进材料性能的研究。然而由于晶界结构受到多尺度物理性质的影响：既有晶体宏观尺度的弹性相互作用，又有晶界处短程原子间相互作用，因此对于晶界结构及能量的研究是非常困难的。本项目将基于广义Peierls Nabarro模型框架对不同晶界建立多尺度连续性模型，并推导表征晶界结构的偏微分方程组，通过数值求解方程以研究晶界的结构与能量，并建立简化的解析模型。此模型框架已被成功应用于描述弯曲位错、扭转晶界以及双层材料的层间缺陷。本项目将发展针对倾转晶界、混合晶界以及半共格晶界的跨尺度连续性模型，为通过大规模计算研究材料晶界性质提供理论工具；并进一步总结晶界的结构与晶界能之间的关系，使其成为材料连续模型框架中一个重要组成部分，对材料的力学行为做出更好的预测。

晶界作为一种二维材料缺陷，它的结构与性质对材料的力学性能有着很大的影响，因此对晶界结构、能量及两者之间的关系的理解将有助于促进材料性能的研究。然而由于在实际材料中晶界内部存在多种内部微结构，如内部缺陷、位错等，同时也会与其他的缺陷发生相互作用，因此晶界的结构受到多尺度物理性质的影响：既有晶体宏观尺度的弹性相互作用，又有晶界内部以及与其他缺陷相互作用处短程原子间相互作用，因此对于晶界对应的材料结构及能量的研究是非常困难的。本项目对多种材料以及内部缺陷建立多尺度连续性模型，并推导表征晶界结构的偏微分方程组，通过数值求解方程以研究多种材料以及内部缺陷在零温以及有限温度情况下的结构。本项目发展了针对倾转晶界、混合晶界以及半共格晶界的跨尺度连续性模型，同时对位错与晶界的相互作用边界条件、复杂材料结构及缺陷在有限温度情况下的内部结构、层状材料层间缺陷等建立相应的模型，为通过大规模计算研究材料性质提供理论工具，为进一步研究材料的宏观尺度的行为构建基础，对材料的力学行为做出更好的预测。