光子晶体应变片的基本原理

光子晶体是人造的周期性结构材料。作为一种复合材料，各组份的介电性质及其空间排列方式决定了光子晶体具有独特的光带隙性能。光子晶体受力变形后必然会改变各组份的空间排列方式，从而改变其光带隙性能。本文利用数值方法模拟了一维光子晶体承受正应变时对其光带隙性能的影响，发现应变的大小与禁带起始波长及截止波长之间存在简单的线性关系。既通过测量光子晶体的光带隙性能就可以得知应变的大小，从而验证了制造光子晶体应变片的可行性。这种应变片的优点是不需要导线相联，而且没有活动部件。     

声光子晶体带隙特性与声光耦合作用研究综述

声光子晶体是一种同时具有光子和声子带隙的周期性结构.声光子晶体为同时控制电磁波和弹性波的传播提供了一个系统的平台,并在光学、声学及声光多功能器件、腔光力学等领域展现了十分广阔的应用前景.论文首先介绍了声光子晶体的基本概念,包括声光子晶体的材料、空间周期分类、能带结构的计算方法等;阐述了不同体系下声光子晶体双重带隙的特性,以及拓扑优化方法在声光子晶体带隙优化方面的应用;然后简要介绍了腔光力学,以及计算声光耦合作用的准静态方法和光力耦合系数方法,并针对当前各种声光子晶体结构中声光耦合作用的研究进行了阐述;还进一步介绍了声光子晶体波导和传感器的相关研究;最后,基于当前声光子晶体的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到增强声光子晶体谐振腔的声光相互作用、三维声光子晶体的研究、声光超构材料的设计、声光子晶体器件设计与应用等.     

基于材料相变的声子晶体带隙可调结构设计与性能分析

提出一种基于材料相变的穿孔型带隙可调声子晶体结构.其结构形式为含缝隙的形状记忆合金和环氧树脂的组合体,通过温度变化诱发相变引起的形状记忆合金材料性质的变化,实现声子晶体的带隙变化;通过合理布置缝隙与形状记忆合金相变材料的位置,实现声子晶体带隙性质的可调设计.基于有限元方法,建立了可调声子晶体的分析模型,分析了形状记忆合金的填充分数以及相变等对带隙性能的影响规律.分析结果表明,通过合理设计微结构形式,材料相变可实现带隙位置和宽度的调节,同时可实现特定频段内带隙的有无.     

基于人工神经网络的声子晶体逆向设计

声子晶体是一种人工周期性复合材料, 其带隙特性使其在减振、隔声、滤波和声学功能器件等领域具有潜在的应用价值. 如何准确操纵声波和机械波是声子晶体设计的主要挑战. 现有设计方法是基于对结构几何参数与材料参数的分析调整使其匹配特定的应用特性, 设计效率不高且无法达到最佳性能. 为此, 本文以一维层状声子晶体为例, 提出了一种基于Softmax逻辑回归和多任务学习的人工神经网络声子晶体逆向设计方法, 其中, Softmax逻辑回归实现分层结构各区域材料种类的选择, 通过多任务学习确定各区域材料的分布, 从而, 将声子晶体逆向设计问题转化为对单位胞元拓扑结构多组分材料的分类问题. 首先, 随机生成大量声子晶体拓扑结构样本; 然后, 采用有限元法进行并行计算得到所有样本的带隙分布; 接着, 通过神经网络建立带隙分布和拓扑结构之间的映射关系; 最后, 利用训练好的神经网络设计具有目标带隙特性的声子晶体, 即以目标带隙作为神经网络的输入, 网络将直接输出对应的声子晶体单元胞元拓扑结构. 算例表明本方法可根据应用需求快速高效地得到具有目标带隙的一维声子晶体. 该方法为声子晶体的逆向设计提供了一种新颖思路.      

最优二维固/固声子晶体带隙特性研究

声子晶体是一种具有弹性波带隙特性的周期性复合材料,其带隙特性受单胞拓扑形状的影响.通过拓扑优化技术,能够突破传统设计方法的局限,实现对声子晶体的主动设计.论文基于遗传算法和改进的平面波展开法,通过两阶段的优化过程,得到具有最大相对带隙的二维铜/环氧树脂声子晶体结构,并进一步研究不同带隙最优声子晶体单胞拓扑形状及其带隙特性.结果表明,利用所开发的带隙优化程序,能够得到满足带隙要求的具有全局最优的声子晶体结构;声子晶体最低带隙所对应的单胞是简单晶格结构,其散射体形状简单,而且对应的带隙频率最低,相对带隙最大,对于隔音减振最有实用价值.     

一种三芯液晶光子晶体光纤的特性

针对三轴光纤陀螺共用光源问题,提出了一种新型的多芯液晶光子晶体光纤,该光纤具有三个呈等边三角形几何形状排列的液晶纤芯.利用有限元法对其功率分布、模场、有效折射率和色散特性进行了数值分析,结果表明,这种三芯液晶光子晶体光纤可将传输光完全等分为三束光,且具有平坦色散特性,在波长为1.45μm～1.75μm之间的色散变化小于2 ps·km-1·nm-1.此外,该光纤在大约150 nm的波长范围内显示出超平坦的色散,并且可以通过改变中心空气孔的直径来调整超平坦色散的波长范围.研究成果对液晶光子晶体光纤、三轴光纤陀螺和三相光纤电流互感器的等光分束器、1×3多芯光子晶体耦合器和平坦色散光纤的进一步发展具有重要意义.     

基于应变率阶跃测试的晶体铜压入应变率敏感性研究

纳米压入测试可以原位获取材料的诸多力学性能,包括弹性模量,硬度,屈服应力,应变率敏感指数等。本文利用应变率阶跃测试技术对多晶铜试样的应变率敏感性进行测试分析,硬度-位移曲线表明压头下方所存在的变形梯度对各阶跃应变率下的硬度值存在明显影响;采用基于晶体细观机制的塑性应变梯度理论对压入变形梯度效应予以修正,比较了修正与未修正数据所得的应变率敏感指数,在有效剔除压入变形梯度影响的基础上,应变率阶跃测试可实现单次压入下材料应变率敏感性的测试表征。     

光子晶体光纤陀螺技术及其首次空间试验

光子晶体光纤具有抗辐射、抗弯曲、抗磁场干扰和温度敏感性低等优势,是空间用光纤陀螺的理想选择。针对空间用光纤陀螺,提出了四层孔和双层孔陀螺用光子晶体光纤结构,突破了光子晶体光纤长距离拉制关键技术,批量制备了陀螺用长距离低损耗实芯光子晶体光纤与空芯光子晶体光纤,利用开发的光子晶体光纤周向散射、背向散射、温度、磁等性能测试设备,全面测试与验证了光子晶体光纤性能优势。实现了光子晶体光纤耦合器、敏感环等光学器件,研制的高精度光子晶体光纤陀螺样机于2017年4月随"天舟一号"货运飞船发射成功,实现了光子晶体光纤陀螺的首次空间应用,于2020年12月用于某卫星主控,这是国际首次此类型陀螺用于卫星主闭环控制,验证了其可行性和优势,为将来广泛应用奠定了基础。     

面内随机堆叠石墨烯复合材料压阻传感机理与压阻性能

面内随机堆叠石墨烯复合材料(graphene composites, GC)是可穿戴柔性传感器的基础材料之一, 但是其压阻传感机理与压阻性能仍然有待深入研究. 本文基于GC的微观结构特征, 利用0 $\sim$ 1间均匀分布随机数获得石墨烯在复合材料中的位置和方向, 建立了二维GC压阻传感器模型. 根据GC均匀变形的特点和有限单元法发展了GC压阻性能的计算方法, 计算得到了相对电阻、灵敏度系数、石墨烯片的微观形态与电流密度云图. 研究结果表明, GC中的压阻效应是由于在变形过程中石墨烯形态的改变, 包括GC中石墨烯片的密度随应变变化、石墨烯片滑移、分离导致电子迁移路径和无效片数量的改变, 而GC中石墨烯片密度随应变的变化是影响压阻效应的主要因素. 石墨烯片间的相对滑移产生线性传感特征, 分离反之. 高面分比GC与大尺寸石墨烯的GC拥有较大的感知范围, 低面分比GC和小尺寸石墨烯的GC具有更高的灵敏度系数. 最后将接触面的面内电阻率设为应变的函数, 研究了石墨烯片的接触效应对GC压阻性能影响, 解释了GC压阻性能的接触效应和影响机理. 研究结论可为GC生产方法的改进与创新、以及GC压阻传感器件的制备提供理论依据和技术参考.      

PIEZORESISTIVE SENSING MECHANISM AND PIEZORESISTIVE PERFORMANCE OF IN-PLANE RANDOM STACKED GRAPHENE COMPOSITES 1)

面内随机堆叠石墨烯复合材料(graphene composites, GC)是可穿戴柔性传感器的基础材料之一, 但是其压阻传感机理与压阻性能仍然有待深入研究. 本文基于GC的微观结构特征, 利用0 $\sim$ 1间均匀分布随机数获得石墨烯在复合材料中的位置和方向, 建立了二维GC压阻传感器模型. 根据GC均匀变形的特点和有限单元法发展了GC压阻性能的计算方法, 计算得到了相对电阻、灵敏度系数、石墨烯片的微观形态与电流密度云图. 研究结果表明, GC中的压阻效应是由于在变形过程中石墨烯形态的改变, 包括GC中石墨烯片的密度随应变变化、石墨烯片滑移、分离导致电子迁移路径和无效片数量的改变, 而GC中石墨烯片密度随应变的变化是影响压阻效应的主要因素. 石墨烯片间的相对滑移产生线性传感特征, 分离反之. 高面分比GC与大尺寸石墨烯的GC拥有较大的感知范围, 低面分比GC和小尺寸石墨烯的GC具有更高的灵敏度系数. 最后将接触面的面内电阻率设为应变的函数, 研究了石墨烯片的接触效应对GC压阻性能影响, 解释了GC压阻性能的接触效应和影响机理. 研究结论可为GC生产方法的改进与创新、以及GC压阻传感器件的制备提供理论依据和技术参考.