A. 相場方法——材料微觀組織模擬技術
相場方法，以熱力學為基礎，廣泛應用於模擬材料的相變和微觀組織演變。它提供了一種介觀尺度的模擬技術，能夠描述從一個相到另一個相的平滑變化，而非銳利界面。通過變數表示系統是否處於特定相或其濃度，相場方法靈活適用於多種材料科學與工程問題。下圖展示了多尺度模擬與實驗表徵結合的途徑，其中相場方法被用於研究材料微觀組織。
相場模型主要分為連續相場和微觀相場兩大類。連續相場模型通過場變數描述，避免了追蹤界面的復雜性，適用於凝固模型和其他相變過程。微觀相場模型則利用原子在晶格位置的概率作為場變數，適用於固態相變、時效析出和馬氏體轉變等研究。Khachaturyan等人開創了微觀相場模型，Chen和Wang等人進一步發展了該模型，使其在固態相變等領域得到廣泛應用。
連續相場模型中，WBM、KKS和Steinbach模型是最為廣泛應用的。WBM模型通過假設固液界面為濃度相同的混合物，引入了額外的雙勢阱。KKS模型則假定平衡時固液界面為化學勢相同的混合物，忽略了溶質濃度的影響，主要適用於稀二元合金凝固過程模擬。Steinbach模型則基於各相擴散勢相等的假設，通過變數匹配將純物質的相場模型擴展至多元多相合金，實現了動態模擬。Steinbach和Zhang發展了考慮有限界面耗散的多相場模型，通過引入界面耗散系數，實現了任意熱力學狀態下的微觀結構演變模擬。
相場方法具有獨特優勢，包括採用擴散界面簡化追蹤界面困難、描述非平衡過程的微結構演變、與不同外場方程耦合以實現宏觀與微觀尺度的結合。這種方法廣泛應用於多元多相工業合金在不同制備過程的微結構演變模擬。
在集成電路領域，相場方法被應用於先進封裝、薄膜生長、疲勞等多方面。中山大學黃志恆等人綜述了其在先進封裝領域的應用，相場法模擬超細連接中的微觀組織形貌和演化，如凝固中形成的枝晶結構。瞬時自適應網格劃分技術提高了相場法在微觀組織模擬中的效率。
對於電子封裝，相場法模擬了三維Cu-TSV結構中熱應力的影響，研究了不同晶向上彈性模量的差異及其對熱應力分布的影響。此外，相場法還用於研究電遷移過程，揭示其對超細連接中微觀組織的影響，如相聚集、晶粒旋轉和界面IMC厚度與形貌的變化。
在鈷基高溫合金研究中，劉興軍教授課題組開發了針對新型合金中γ/γ′兩相組織演化的相場動力學模型。通過結合熱/動力學資料庫，模擬了Co-Al-W合金在時效過程中的微觀組織演化，探討了初始成分、錯配度和時效溫度等對合金組織特徵的影響。模擬結果與實驗結果一致性良好，為新型合金的組織設計和工藝優化提供了理論依據。
在金屬增材製造中，相場法用於模擬微觀組織的生長演化，如激光熔覆過程中熔池內的凝固組織演變。通過耦合復雜的傳熱模型，模擬計算結果與金相實驗測量結果高度吻合，證明了相場法在金屬增材製造中的應用潛力。
相場方法作為材料微觀組織模擬的核心技術，已展現出強大的應用潛力。未來，隨著計算能力的提升和演算法的優化，相場法將在材料科學與工程領域發揮更為重要的作用，尤其是在解決復雜材料系統的微觀組織演化問題方面。