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簡介：本論文涉及分子力學(xué)力場以下簡稱力場方法及其模擬方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用。研究內(nèi)容主要為三種不同類型的力場第一，可以同時應(yīng)用于金屬氧化物體相和金屬氧化物與有機(jī)分子相互作用界面的新型金屬氧化物力場；第二，應(yīng)用于計算液體傳遞性質(zhì)的經(jīng)典有機(jī)分子力場；第三，可以模擬凝聚相化學(xué)反應(yīng)的AIREBO反應(yīng)力場。在建立和驗證力場的同時，進(jìn)行了大量的與力場相關(guān)的模擬方法，包括多種分子動力學(xué)與MONTECARLO模擬方法的研究。其中，對反向非平衡分子動力學(xué)方法RNEMD和應(yīng)用AIREBO反應(yīng)力場的MONTECARLO方法進(jìn)行了編程實現(xiàn)。論文研究工作得到了以下主要的結(jié)果與結(jié)論1設(shè)計并開發(fā)了一個新的、可用于研究界面過程的準(zhǔn)離子模型SIMEIONIC金屬氧化物力場。該力場與傳統(tǒng)金屬氧化物力場形式不同，利用表觀電荷描述庫侖相互作用，并將成鍵相互作用與長程相互作用分開來處理。在描述金屬氧化物體相的各種性質(zhì)時均能達(dá)到或超過傳統(tǒng)力場的計算精度。更重要的是，這一力場可以同其他經(jīng)典有機(jī)分子力場相配合使用，用于模擬金屬氧化物與有機(jī)分子相互作用的界面過程，這一特點是目前為止其它金屬氧化物力場所不具備的。利用該力場進(jìn)行了MGO表面吸附甲醇的等壓吉布斯系綜模擬，揭示了表面上復(fù)雜的作用方式和機(jī)理。2在非平衡分子動力學(xué)方法計算液體剪切粘度的研究中，首次發(fā)現(xiàn)了周期性微擾方法系統(tǒng)性的低估剪切粘度計算結(jié)果；找到了真正影響體系被擾動程度的物理量并定義了能夠直接表征體系微擾程度的微擾指數(shù)，糾正了文獻(xiàn)中片面強調(diào)微擾周期波長對計算結(jié)果影響的錯誤；發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性低估粘度計算結(jié)果的主要原因，即由微擾產(chǎn)生的平行于微擾周期方向上的液體密度梯度造成。并基于這一特點創(chuàng)造了利用線性外推手段計算剪切粘度的方法。這一方法在應(yīng)用于20多種不同類型的分子液體中都得到了與實驗值相比比較滿意的結(jié)果。3對經(jīng)典力場在預(yù)測剪切粘度時在不同分子結(jié)構(gòu)之間和不同狀態(tài)之間的遷移性的問題進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過合理的、基于量子化學(xué)數(shù)據(jù)及液體靜態(tài)性質(zhì)例如密度和蒸發(fā)焓數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到的分子力學(xué)力場可以用于預(yù)測液體的傳遞性質(zhì)，計算精度基本可以控制在10％的誤差范圍以內(nèi)。同時，力場參數(shù)的遷移性與分子結(jié)構(gòu)的特點有關(guān)，在復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)間的遷移性并不十分可靠然而力場在不同溫度和壓力狀態(tài)條件下應(yīng)用于粘度模擬時能夠保持計算精度的穩(wěn)定性。在利用RNEMD方法計算液體導(dǎo)熱系數(shù)的研究中我們發(fā)現(xiàn)必須要考慮量子效應(yīng)。在這方面一個簡單的作法是利用聯(lián)合原子力場來消除高頻振動的量子效應(yīng)。4對AIREBO型碳?xì)浠衔锓磻?yīng)力場的質(zhì)量在包括化學(xué)反應(yīng)路徑在內(nèi)的原子組態(tài)空間ATOMICCONFIGURATIONSPACE內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)性的評估。結(jié)果表明，AIREBO力場在計算穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)時能夠得到較準(zhǔn)確和結(jié)果，但對遠(yuǎn)離穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的狀態(tài)或過渡態(tài)的能量計算有較嚴(yán)重的偏差，這些偏差都傾向于正偏差，即高估體系的能量。因此可以利用這一力場研究化學(xué)反應(yīng)中各種穩(wěn)定狀態(tài)始態(tài)和終態(tài)化合物的濃度問題。如果要用以與反應(yīng)動力學(xué)有關(guān)的研究，必須對該力場進(jìn)行較大的修改。5設(shè)計并編寫了AIREBO力場與MONTECARLO方法相結(jié)合模擬凝聚相化學(xué)反應(yīng)的程序。通過在單壁碳納米管與立方烷的熱分解反應(yīng)體系中的驗證表明該程序能夠合理的預(yù)測化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的分配，為進(jìn)一步的深入研究奠定了基礎(chǔ)。

簡介：計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用正在不斷的發(fā)展。有針對性地采用數(shù)據(jù)處理、仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，通過建立過程機(jī)理模型，對材料科學(xué)中相關(guān)過程的數(shù)據(jù)分析、模型預(yù)測、優(yōu)化設(shè)計等進(jìn)行實現(xiàn)。計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，可以逐步地、全面地解決材料科學(xué)與工程中的重大技術(shù)問題。本文分別對材料科學(xué)中物質(zhì)組成優(yōu)化、曲線與表達(dá)式擬合和晶體生長的計算機(jī)模擬進(jìn)行了分析與設(shè)計。利用遺傳算法中多目標(biāo)優(yōu)化理論和構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，通過求最優(yōu)澄清溫度實現(xiàn)物質(zhì)組成優(yōu)化的設(shè)計；分別利用曲線擬合中的最小二乘法和函數(shù)擬合方法對實驗得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線和表達(dá)式的擬合和計算；根據(jù)材料科學(xué)中晶化過程的理論，建立晶體生長模型，用蒙特卡羅方法和MATLAB編程工具，實現(xiàn)微晶玻璃的晶體生長過程的計算機(jī)模擬。

簡介：激光誘導(dǎo)擊穿光譜LABSLASERINDUCEDBRCAKDOWNSPECTROSCOPY是一種新的元素分析工具。利用高能脈沖激光照射樣品使被照射區(qū)域的溫度急劇升高導(dǎo)致樣品局部氣化并使氣化的原子和分子電離或處于激發(fā)態(tài)從而在照射區(qū)域附近形成等離子體羽輝這就是所謂的激光誘導(dǎo)擊穿。當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的原子或離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)時將發(fā)射出與這些元素對應(yīng)的特定波長的光。因此通過收集樣品因激光誘導(dǎo)擊穿而產(chǎn)生的等離子體發(fā)射出來的光譜就可對樣品進(jìn)行定性以及定量的元素分析。與傳統(tǒng)的測試技術(shù)相比激光誘導(dǎo)擊穿光譜有諸多優(yōu)點。首先LIBS是一種全元素分析工具可以測量所有元素其次LIBS對樣品的形態(tài)沒有要求適用性廣可以直接對固體、液體、氣體可以進(jìn)行測試第三LIBS對樣品的制備要求低不需要對樣品進(jìn)行任何預(yù)處理第四LIBS的取樣范圍很小對樣品的其他部分沒有損傷第五LIBS的測試速度快且可同時進(jìn)行多元素分析第六LIBS可進(jìn)行遠(yuǎn)程實時檢測。由于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的諸多優(yōu)點它在環(huán)境監(jiān)測、實驗分析、軍事技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)研究、反恐安全等各種領(lǐng)域都有廣闊的利用前景。它既可以成為實驗室的日常分析測試方法也可用于工業(yè)生產(chǎn)工藝流程中的實時分析、實時質(zhì)量監(jiān)控還可用于環(huán)境、大氣、海洋、太空以及危險區(qū)域的污染檢測等。本文對LIBS的工作原理、歷史進(jìn)行了綜述并自制了一臺可以對固體、液體和氣體樣品進(jìn)行分析測試的LIBS譜儀并在此基礎(chǔ)上對LIBS的應(yīng)用進(jìn)行了研究。例如我們利用自行設(shè)計制造的激光誘導(dǎo)擊穿光譜設(shè)備對常見的金屬如鐵、銅、鋁、錫等進(jìn)行了定性檢測研究發(fā)現(xiàn)金屬樣品很容易被檢測出來利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對天然巖石進(jìn)行了成分分析發(fā)現(xiàn)其含有鈣、鉀等元素利用激光束斑小的特點LIBS還可以用于選點分析對同一巖石不同位置以及不同巖石進(jìn)行了對比分析研究成功的檢測出同一巖石不同位置以及不同巖石之間元素含量以及元素種類的不同。特別是我們利用LIBS測試了重?fù)焦柚械难鹾拷鉀Q了因為自由載流子吸收不能利用傅立葉紅外光譜儀分析重?fù)焦柚醒鹾康募夹g(shù)難題并提出了利用LIBS測量硅中氧含量的經(jīng)驗公式。在激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的研究中激光與物質(zhì)的相互作用、等離子體產(chǎn)生的具體過程、等離子體的擴(kuò)展以及等離子體的溫度密度計算等研究還沒有定論。本文利用聚焦激光焦點處對空氣的擊穿來研究等離子體的電子溫度和密度從而消除了研究一般樣品的等離子體而可能引入的激光入射角度、位置等的影響。利用波爾茲曼法和斯塔克展寬計算了等離子體的電子溫度和密度得到電子的溫度和密度分別為19850K和2371016CM3。對大氣和真空中鋁的等離子體進(jìn)行了對比研究發(fā)現(xiàn)真空中出現(xiàn)了ALIII發(fā)射峰。這是由于真空中氧氣氮氣分壓的降低使鋁的等離子體的冷卻時間變長從而平均溫度升高而使得鋁的電離率升高造成的。由于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)不受樣品導(dǎo)電率的影響因此可以測量絕緣的陶瓷樣品。本論文利用LIBS對硅酸鋅陶瓷進(jìn)行了成分分析成功檢測出硅酸鋅陶瓷中的微量錳、銅、鈦等摻雜和非摻雜雜質(zhì)元素。在對硅酸鋅陶瓷的定量分析時發(fā)現(xiàn)對于硅和鋅這類發(fā)射系數(shù)相差很大的元素其受等離子體自吸收等的影響程度不同導(dǎo)致利用不同硅鋅發(fā)射峰得到的定標(biāo)曲線不同。為了減少基體效應(yīng)對定量分析的影響應(yīng)盡可能選擇強度差別不大的譜線。利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜研究了硅單晶的等離子體并檢測了硅單晶中的雜質(zhì)元素。重?fù)焦鑶尉е醒鹾康亩糠治鍪谴笠?guī)模集成電路工業(yè)中非常重要但又沒有簡單有效檢測方法的技術(shù)難題。本文利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜與紅外吸收譜的比較制作了利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測硅中氧含量的定標(biāo)曲線并利用定標(biāo)曲線成功的檢測了重?fù)焦鑶尉е械难鹾坎⑦M(jìn)一步檢測了重?fù)焦鑶尉е醒鹾康纳疃确植己芎玫亟鉀Q了重?fù)焦柚醒鹾康臏y量問題。

簡介：河南大學(xué)碩士學(xué)位論文半導(dǎo)體材料科學(xué)中的漂移擴(kuò)散模型和流體動力學(xué)模型分析姓名高勇申請學(xué)位級別碩士專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)指導(dǎo)教師王術(shù)陳守信20040501其次，研究在外部區(qū)域上的高維流體動力模型初邊值問題L禮TV，N“0，N“￡十口RAUO“VPNE一警，睜，T∈QO，。。IIIIVEN一6Z1UI?！蔕N0，EL?！蔕N0“。，O“。。，“。，O“。。，?！蔘，IV、JLPN。2N1，N0，O≠O，71，IN?！蔙”|Z|≥R1O證明了該問題的解依指數(shù)形式收斂到對應(yīng)穩(wěn)態(tài)問題的解，這一結(jié)果已發(fā)表在河南大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版2003年第四期上。關(guān)鍵詞半導(dǎo)體流體動力學(xué)模型漂移擴(kuò)散模型擬中性極限PN結(jié)II

簡介：本論文以REAXFF反應(yīng)力場為核心，涉及REAXFF反應(yīng)力場的開發(fā)，及其在高能材料，能源材料，建筑材料等若干材料科學(xué)中的應(yīng)用問題。REAXFF是新一代的分子力場，除傳統(tǒng)力場的基本性質(zhì)之外，可以模擬體系中的化學(xué)反應(yīng)。本工作主要包括REAXFF力場長程作用力的修正、煤油添加劑的熱解和燃燒機(jī)理研究、瀝青煤的熱解膨脹機(jī)理研究、多元金屬氧化物的結(jié)構(gòu)解析及表面氨氧化催化反應(yīng)機(jī)理、混凝土老化開裂機(jī)理五個部分。與量子化學(xué)方法或傳統(tǒng)分子模擬方法不同，這些工作用分子動力學(xué)模擬，對材料使用及處理過程中的溫度、壓力和凝聚相環(huán)境的條件綜合考慮，從一個統(tǒng)計熱力學(xué)的角度考慮凝聚相及表面催化過程中的反應(yīng)機(jī)理問題。論文主要得到了如下的結(jié)果和結(jié)論1針對REAXFF反應(yīng)力場低估長程VDW相互作用的缺點，首次引入基于低梯度模型的修正項（LOWGRADIENT，LG）對REAXFF反應(yīng)力場的色散作用進(jìn)行修正。通過該修正，使得基于第一性原理（DFT）發(fā)展的反應(yīng)力場能夠合理描述長程相互作用。運用該力場能夠準(zhǔn)確預(yù)測含能材料分子晶體的晶格參數(shù)、升華焓和狀態(tài)函數(shù)，并且成功預(yù)測了ΑRDX至ΓRDX的相變過程。同時，通過比較REAXFF和REAXFFLG計算所得反應(yīng)能量，發(fā)現(xiàn)LG長程作用力修正項對于反應(yīng)的能量影響較小，不影響REAXFF反應(yīng)勢能面的描述，確定了REAXFFLG的可擴(kuò)展性。2運用REAXFFRD方法，研究了煤油添加劑分子1，6二環(huán)丙烯2，4己炔的熱解和燃燒機(jī)理。通過對單分子模型和凝聚態(tài)模型的分別研究，確立了添加劑分子的熱解和燃燒過程是從單分子的熱解和燃燒開始的，同時對過程中產(chǎn)生的分子進(jìn)行了分析，理解燃料添加劑分子的熱解和燃燒的復(fù)雜過程。同時，根據(jù)過渡態(tài)理論確定了燃料添加劑凝聚態(tài)中熱解和燃燒過程的活化能和活化熵，確立了在熱解和燃燒過程中，多分子之間的反應(yīng)是一種重要的反應(yīng)。對于未知的化學(xué)反應(yīng)過程，顯示了運用REAXFFRD方法，可以從第一性原理出發(fā)確定凝聚相中的化學(xué)反應(yīng)微觀過程。3發(fā)展REAXFFMCRD方法，解析實驗手段難以解析的材料結(jié)構(gòu)。首次用計算方法解析了多元金屬氧化物MOVTENBO催化劑的M2相結(jié)構(gòu)，確定了M2相中的金屬在各位點分布，分析了NB在M2相形成過程中的作用及對其他位點的V分布進(jìn)行了解釋。運用該結(jié)構(gòu)，通過探測H原子與M2相表面各位點的相互作用，研究了M2相表面丙烯的氨氧化活化過程的初期反應(yīng)機(jī)理，并提出了丙烯的活化模型。4從第一性原理出發(fā)，開發(fā)了適用于水泥中鈣礬石體系的REAXFF反應(yīng)力場模型，并進(jìn)行鈣礬石晶體的力學(xué)性質(zhì)研究，確定了鈣礬石體系A(chǔ)B，C兩個方向的力學(xué)失效機(jī)理。通過不同含水量的鈣礬石研究，運用2PT方法對不同含水量的鈣礬石進(jìn)行了自由能分析，并由此確定了鈣礬石中水的化學(xué)勢，從而從原子尺度研究了鈣礬石的老化開裂機(jī)理，確定了氫鍵在鈣礬石遇水膨脹中的作用。5擴(kuò)展REAXFF反應(yīng)力場至煤體系中，并運用該反應(yīng)力場研究了煤的熱解機(jī)理，著重考慮了在煤膨脹過程中的自由體積效應(yīng)對熱解機(jī)理的影響。通過建立不同密度的煤模型，對膨脹過程進(jìn)行模擬，通過對反應(yīng)機(jī)理分析，得出煤的膨脹機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)初期，煤塊中生成H2，CH4和NH3等揮發(fā)性氣體，體相中SP2碳數(shù)目增加，焦炭逐步生成；而揮發(fā)性氣體的生成造成內(nèi)部壓力升高，促使煤塊開始膨脹；隨著膨脹的進(jìn)行，煤塊中的自由體積逐漸增多，對煤的熱解機(jī)理產(chǎn)生影響，在氣泡附近的煤由于有更多的自由體積，支鏈裂解生成更多的不飽和小分子氣體，如C2H，C2H2，C3H3，CO等，這些分子的增多促進(jìn)了氣泡的膨脹，加速了熱解的進(jìn)行。6除REAXFF反應(yīng)力場外，博士期間其他方面的工作有沸石中氨分子的升溫脫附研究。從第一性原理出發(fā)，研究氨與沸石的相互作用，運用RIMP2TZVPP的方法詳細(xì)研究了氨與B酸沸石團(tuán)簇的相互作用方式，在第一性原理計算的基礎(chǔ)上開發(fā)了適用于氨沸石體系的分子力場。運用該力場對氨分子在沸石體系中的脫附過程進(jìn)行研究，從氨分子在孔道中的微觀結(jié)構(gòu)的角度對沸石的酸性表征進(jìn)行了描述。