多阶式层级梯度蜂窝结构的共面冲击响应

为改善蜂窝结构共面的力学性能,基于传统六边形蜂窝结构,建立了六边形层级蜂窝结构,并利用层级蜂窝代替传统六边形蜂窝部分胞元层,复合成一种新型多阶式层级梯度蜂窝结构。利用显式动力学有限元方法研究了层级梯度蜂窝的共面在不同冲击速度作用下的冲击响应特性和能量吸收能力。研究结果表明：层级梯度蜂窝的变形模式与塑性坍塌强度和冲击速度有关;层级梯度蜂窝冲击端和固定端在不同冲击速度作用下的名义应力-应变曲线均与其变形模式有关;不同的复合方式会导致层级梯度蜂窝具有不同的平台应力和比吸能,且在高速冲击时其平台应力比传统六边形蜂窝提高45.4%～63.8%,能量吸收提升10.8%～34.1%。相对密度会影响层级梯度蜂窝的能量吸收能力。     

热-流-固耦合作用下页岩气储层渗透率的演化机制

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制,考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响,提出了页岩的有效应力-渗透率模型,该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论,建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型,该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据,验证了该模型的有效性和准确性。结果表明：(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2)探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制,发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”,温度越高,渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3)分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制,发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”,孔隙压力越大,温度对渗透率的影响越小。(4)分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析,发现泊松比越大,渗透率比值梯度越大,孔隙体积模量越大,渗透率比值梯度越小。恒压条件下,当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值,渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下,...     

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%。     

三模型随机场对一维量子Ising模型动力学性质的调控

量子自旋系统在外磁场下的动力学性质一直是凝聚态理论和统计物理研究的热点.本文利用递推关系方法,通过计算系统的自旋关联函数及其对应的谱密度,研究了三模型随机外场对一维量子Ising模型动力学性质的调控效应.在三模型随机横场下,利用r分支引入了非磁性杂质,研究表明:非磁性杂质使得系统的低频响应得到保持,中心峰值行为更加明显;非磁性杂质与横场之间的竞争能激发出新的频率响应,呈现多峰行为;但较多的非磁性杂质最终会限制系统对横场的响应.此外,研究还发现随机横场的三模分布参数满足qB_q=pB_p这一条件,是使中心峰值行为得到保持的有利条件.在三模型随机纵场下, r分支仅仅起到调节纵场强度的作用,且r分支所占比重的增大不利于低频响应,与三模型随机横场下r分支的调控作用是相反的.     

气体中心式离心喷嘴喷雾实验与三维仿真

在实验的基础上, 基于RNG k-ε模型对常压下气体中心式同轴离心(gas-centered swirl coaxial,GCSC)喷嘴喷雾形态和破碎模式进行了三维仿真研究。采用网格自适应加密(adaptive mesh refinement,AMR)技术、耦合水平集和流体体积(coupled level-set and volume of fluid, CLSVOF)方法对气液界面进行捕捉。结果表明, 液体质量流率($\dot{m}_{\mathrm{l}}$)不变, 随着气体质量流率($\dot{m}_{\mathrm{g}}$)的增加, 中心气流的引射作用增强, 液膜内外压差增大, 雾化锥角减小, 并对其流动特性进行了分析; 而$\dot{m}_{\mathrm{g}}$不变时, 液膜在喷嘴出口的径向速度与切向速度随$\dot{m}_{\mathrm{l}}$的增大而增大, 导致雾化锥角增大。同时根据气液质量流率比(gas-liquid mass flow rate,GLR), 将喷雾的破碎模式分为穿孔破碎、气泡破碎和气动破碎。      

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

使用两方程Menter-SST模型, 对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响, 总结了参数变化引起的流动分离变化规律; 此外, 还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形, 并将三维结果与二维情形进行对比, 对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。      

利用三维虚拟技术突破物质结构教学*——从演示型工具到探索型工具的转变

针对物质结构教学的抽象性,开发了一套基于三维虚拟技术的物质结构教学软件,可对结构模型进行旋转、平移、缩放、切割、镜像、插入或删除原子(团)及启停预先设置的动画等操作,强大的交互功能不仅能对分子或晶体结构如构造异构、立体异构、晶体的堆积方式、晶胞的划分、配位数、晶体结构中的空隙及空间利用率等问题进行效果极佳的可视化教学,另一方面,通过对B₁₂与C₆₀分子空间构型转变的探究揭示数学构型的重要性,通过对六方晶胞占有原子个数的探究修正晶胞模型,通过对金属晶体的4种基本堆积方式成因的探究提出“半密置层”概念来完善紧密堆积规律等案例,展示出三维虚拟技术在微观结构探索发现方面的巨大潜力。     

热熔灌输法制备三维骨架支撑金属锂复合负极

金属锂因具有极高的理论比容量(3860 mAh/g)和最低的电化学势(相对于标准氢电极为-3.04 V),被认为是下一代高比能锂离子电池的首选负极材料。然而,金属锂负极在电池循环过程中发生的刺状枝晶生长和体积变化等问题严重阻碍了其产业化应用进程。近年来研究表明,通过在金属锂中引入具有三维(3D)结构的宿主骨架,不但能有效抑制锂枝晶的生长,而且可以缓解金属锂负极的体积变化,从而提高金属锂电池的循环性能与安全性。因此,设计3D骨架/金属锂复合负极被认为是一种能有效解决金属锂问题的新兴策略。本文综述了热熔灌输法制备3D骨架/金属锂复合负极的研究进展。首先讨论了当前基于3D骨架的预存金属锂技术,然后着重分析了热熔灌输策略中3D骨架锂润湿性的影响因素,以及不同3D骨架修饰特征和改性方法。最后对3D骨架/金属锂复合负极和热熔灌输策略现存问题进行了总结并提出未来的发展方向。     

透射电镜三维重构确定杂化嵌段共聚物两相空间分布

多金属氧酸盐(POM)簇-聚合物杂化物是一类兼有无机材料催化性能和聚合物可加工性的,具有优异应用前景的杂化材料。POM簇-聚合物杂化物中两相的空间分布对材料的性能有至关重要的影响。但该材料纳米尺度的3D两相空间形貌和结构无法用常规的透射电镜观察和表征。本文利用透射电镜的三维重构技术,选择合适的参数和方法进行二维图像的采集、图像匹配对中及重构,并完成立体模型的构建,从而通过构建的模型对三种杂化共聚物的两相空间分布进行了确认和分析。     

等离子体金属纳米结构在SERS传感及可穿戴应力传感中的应用

等离子体金属(金、银)纳米结构因其特有的理化性能,被广泛应用于表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)传感及可穿戴应力传感领域。其中,SERS是一种应用贵金属纳米材料增强拉曼散射信号的检测技术,该技术灵敏度高、特异性强,已被广泛用于生物医学、环境监测、食品药品检测等领域。随着电子检测技术和柔性电子材料的快速发展,柔性可穿戴传感技术也得到了快速发展,且取得了大量的研究成果。SERS检测技术主要依赖于贵金属纳米增强基底材料,而基于贵金属纳米结构的可穿戴传感元件对人体微应力、微应变的传感具有极高的灵敏度。SERS增强基底材料与可穿戴应力传感元件材料具有互通互用性,将贵金属纳米SERS基底应用于柔性可穿戴式检测,这是SERS检测技术比较新颖的、尚未深入研究的应用领域之一。该文综述了贵金属溶胶纳米结构的材料组成分类以及该类材料在SERS和可穿戴应力传感中的应用,并分析了胶体贵金属纳米结构组成及成分对SERS传感、可穿戴应力传感灵敏度、可重复性及稳定性的影响,最后展望了贵金属胶体纳米结构在SERS传感和柔性可穿戴应用中的发展趋势。