二维有限元方法研究石墨烯环中磁等离激元

石墨烯等离激元是决定石墨烯光学性质的重要元激发,拥有一系列优异的特性,其通过外置电场的动态可调性最引人注目;石墨烯具有很强的磁场响应(如室温观测的量子霍尔效应),因而磁场可作为一个新的调控自由度,形成的准粒子叫作石墨烯磁等离激元.鉴于石墨烯的二维属性,石墨烯磁等离激元的研究大多采用三维近似,即将石墨烯等效成厚度很薄的三维块材,该处理方案需消耗大量的计算资源.本文在准静态近似下,围绕库仑定律和电荷守恒定律,构建了高效的二维有限元方法,自洽地求解石墨烯面内的积分微分方程,并提出本征值损失谱表征准粒子的激发.利用二维有限元方法,探讨了4类石墨烯环中磁等离激元的激发;最低阶的偶极共振都支持磁等离激元的对称劈裂,在孔很小时,其对模式劈裂的影响可忽略,但当孔的尺寸变大时,内外边界的相互作用将抑制模式劈裂,并最终导致其消失.     

管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸压电超声换能器

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的同时,该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响.针对这一问题,本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路.该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式,获得极低的能量损耗,有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度;也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射,使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带,在有效抑制横向振动的同时,大幅拓宽换能器系统的工作带宽,增强系统的稳定性和机械强度,降低加工成本.仿真结果证明了优化的有效性.     

甲基胺溴化铅晶体粉末的温度依赖光致发光

采用稳态光致发光(PL)光谱技术,结合光谱学分析方法,对CH₃NH₃PbBr₃(MAPbBr₃)晶体粉末的功率密度和温度相关的光物理特性进行了研究。在405 nm连续激光激发下,PL发射峰位在560 nm,半高全宽为123 meV。光谱实验结果表明,通过对功率密度与PL强度进行拟合,其斜率为1.10,这很好地证明了单光子吸收的存在。在80～310 K温度范围内,MAPbBr₃晶体粉末的荧光峰位表现出不同的温度依赖行为。随着温度的升高,激子-声子相互作用的增强,峰宽均匀展宽,积分强度逐渐减小。PL发射峰位在80～145 K出现蓝移。在150 K附近PL发射峰出现跳跃,而当温度超过150 K时,光谱的峰位几乎保持不变。这些温度相关的PL行为主要是由于在150 K左右发生了从正交相到四方相的结构相变。此外,从温度相关的PL实验数据拟合得到激子结合能约为49.8 meV和纵向光学声子能量约为60.4 meV。     

双应力平台星形结构的设计与力学性能

为实现多孔格栅类结构平台应力和能量吸收的可调控,提出了一种双应力平台星形结构的设计方法,设计并制备了3种双应力平台星形结构。采用实验、理论分析与数值模拟相结合的方法研究了结构在面内压缩载荷下的力学行为和能量吸收性能。结果表明,双应力平台星形结构的载荷-位移曲线呈现两个明显的平台阶段,结构的几何参数和肋板数对结构变形的稳定性以及平台应力的大小存在显著影响。平台应力的理论预测结果与实验、数值模拟结果吻合较好。通过调整相应的设计参数,能够有效地调控结构在压缩过程中的平台应力和能量吸收能力。为了进一步提高双应力平台星形结构的能量吸收性能,以结构的质量和比吸能为设计变量,进行了多目标优化。采用基于径向基耦合多项式函数代理模型和遗传算法（NSGA-Ⅱ）,使结构比吸能最大化的同时质量最小化。与最初设计的结构相比,优化后结构的质量减小了6.0%,比吸能提高了21.5%。     

结构材料对传导冷却超导磁体励磁稳定性影响

针对NbTi线材绕制的7 T无液氦传导冷却低温超导磁体,利用有限元方法对励磁过程中超导磁体结构材料内部的涡流损耗进行计算;对比不同材料的低温比热容、热导率和电阻率,利用有限元软件对不同结构材料超导磁体励磁过程进行仿真,得到磁体内部的涡流和温度分布以及不同励磁速度对超导绕组温升的影响。结果表明,磁体最大允许励磁速度与结构材料的低温电阻率呈正相关,超导绕组的最高温度随励磁速度线性变化。     

结构参数对高温超导绕组线圈磁化损耗影响分析

为了研究高温超导电力设备的绕组密度对其磁化损耗的影响,优化绕组线圈结构,减小交流损耗。利用有限元仿真软件,建立了多匝双根单饼线圈绕组的二维轴对称模型。在外加交变磁场条件下,分别改变超导绕组线圈匝数、匝间间距,分析磁化损耗的变化规律。结果表明,线圈间存在屏蔽作用,在一定范围内,超导线圈匝数越多,磁化损耗越小,匝间间距与超导线圈的磁化损耗正相关。     

基于微结构光纤和游标效应的高灵敏度压力传感器

结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及军事工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高,传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小,导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元,并对Sagnac环的感压部分进行封装,通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0～2.4MPa内,压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa,分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器,其压力灵敏度放大了16.7倍。此外,传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点,为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。     

差动式双波混合干涉微小振动检测系统

针对工业环境下粗糙金属表面微小振动的在线测量需求,提出了一种基于差动式双波混合干涉的微小振动检测系统。该系统将极性相反的高电压分别施加在两块硅酸铋晶体上以得到差动式双路振动解调信号,进而通过差分处理抑制对电压极性不敏感的噪声并提高灵敏度。为验证所提出方案的可行性,分别进行了仿真分析与实验验证。对一粘连在压电陶瓷上的紫铜片进行振动测量实验,并将振动测量结果分别与施加在压电陶瓷上的电压和激光测振仪的测量结果进行对比。结果表明,利用所提出检测系统可准确获得振动信号的频率、相位和幅值信息,与单路式结构相比,差动式双波混合干涉仪的灵敏度提高了一倍,信噪比从27.47 dB提高到了30.83 dB,相对误差的均方根值从3.07%降低到了1.42%。     

PROGRESS IN THREE-DIMENSIONALLY ORDERED SELF-ASSEMBLY OF COLLOIDAL SiO2 PARTICLES

Three-dimensionally ordered self-assembly of monodispersed colloidal SiO2 particles involving a structure with periodic alternation of refractive indices represents an advanced field of particuology, colloidal chemistry, materials science, optical physics and information science. Study on such self-assembly not only lays the foundation for the development of advanced functional materials, but also is significant in understanding the principles of nano- and micro-scele processes. Recent progress in three-dimensionally ordered self-assembly of colloidal SiO2 particles is reviewedinclusive of the authors‘‘ investigations.     

涉及肌肉作用影响的髓内钉屈曲分析

在骨折的修复过程中，常发生髓内钉断骨内的情况。其主要原因是涉及肌肉影响后，髓内钉不是单钝的受压杆件，而是多种组合变形的屈曲问题。文中利用有限元法对目前较新结构的髓内钉在骨折治疗中涉及肌肉作用影响进行多方面的压、弯曲与扭转组合变形屈曲分析。得出了三叶瓣型髓内钉在涉及肌肉影响时的屈曲临界压力比单纯受压时髓内钉的屈曲临界压力小51％。并得出髓内钉只能额外承受15Nm左右的外来扭力。这些结果可供髓内钉进一步发展及临床应用参考。通过有限元的分析还可以对髓内钉受力状态的薄弱环节有一个全面的认识，为髓内钉合理设计、材料的选择等进行优化设计提供依据。