体积应变对立方钛酸铅电子结构和光学性质的影响

本文利用第一性原理方法计算并分析了体积应变(-11%~11%)对立方顺电相PbTiO₃的结构、稳定性、电子结构和光学性质的影响。研究发现体积应变后PbTiO₃形成焓增大,稳定性下降,其中压应变对其稳定性的影响比拉应变大。当受到拉伸应变时,立方PbTiO₃由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,且带隙随应变增大呈先增大后降低的趋势。在发生压应变时,从复介电函数、复折射率及吸收系数的分析结果可知,在自然光照下PbTiO₃的光吸收能力仅在个别波段有所增大,但总体呈减弱趋势,当产生拉伸应变时,介电峰、吸收峰红移,表明PbTiO₃在可见光范围内光吸收能力增强,并且当应变增大到11%时,PbTiO₃的吸收能力远高于本征立方相。     

石墨烯负载的氧配位钴单原子稳定金属锂负极

Lithium (Li)-based batteries are the dominant energy source for consumer electronics, grid storage, and electrified transportation. However, the development of batteries based on graphite anodes is hindered by their limited energy density. With its ultrahigh theoretical capacity (3860 mAh∙g⁻¹), low redox potential (−3.04 V), and satisfactorily low density (0.54 g∙cm⁻³), Li metal is the most promising anode for next-generation high-energy-density batteries. Unfortunately, the limited cycling life and safety issues raised by dendrite growth, unstable solid electrolyte interphase, and "dead Li" have inhibited their practical use. An effective strategy is to develop a suitable lithiophilic matrix for regulating initial Li nucleation behavior and controlling subsequent Li growth. Herein, single-atom cobalt coordinated to oxygen sites on graphene (Co-O-G SA) is demonstrated as a Li plating substrate to efficiently regulate Li metal nucleation and growth. Owing to its dense and more uniform lithiophilic sites than single-atom cobalt coordinated to nitrogen sites on graphene (Co-N-G SA), high electronic conductivity, and high specific surface area (519 m²∙g⁻¹), Co-O-G SA could significantly reduce the local current density and promote the reversibility of Li plating and stripping. As a result, the Co-O-G SA based Li anodes exhibited a high Coulombic efficiency of 99.9% at a current density of 1 mA∙cm⁻² with a capacity of 1 mAh∙cm⁻², and excellent rate capability (high current density of 8 mA∙cm⁻²). Even at a high plating capacity of 6 mAh∙cm⁻², the Co-O-G SA electrode could stably cycle for an ultralong lifespan of 1300 h. In the symmetric battery, the Co-O-G SA based Li anode (Co-O-G SA/Li) possessed a stable voltage profile of 18 mV for 780 h at 1 mA∙cm⁻², and even at a high current density of 3 mA∙cm⁻², its overpotential maintained a small hysteresis of approximately 24 mV for > 550 h. Density functional theory calculations showed that the surface of Co-O-G SA had a stronger interaction with Li atoms with a larger binding energy, −3.1 eV, than that of Co-N-G SA (−2.5 eV), leading to a uniform distribution of metallic Li on the Co-O-G SA surface. More importantly, when matched with a sulfur cathode, the resulting Co-O-G SA/lithium sulfur full batteries exhibited a high capacity of 1002 mAh∙g⁻¹, improved kinetics with a small polarization of 191 mV, and an ultralow capacity decay rate of 0.036% per cycle for 1000 cycles at 0.5C (1C = 1675 mA∙g⁻¹) with a steady Coulombic efficiency of nearly 100%. Therefore, this work provides novel insights into the coordination environment of single atoms for the chemistry of Li metal anodes for high-energy-density batteries.     

高应变率下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性力学行为

采用添加造孔剂的方法制备了4种不同孔隙率的未极化PZT95/5铁电陶瓷。采用基于超高速相机与数字图像相关性方法的试样全场应变测量技术以及分离式霍普金森压杆（SHPB）技术，对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷进行高应变率单轴压缩实验研究。全场应变测量结果显示:轴向应变仅在试样中部分布较均匀，将该区域的平均应变作为应力-应变关系中的试样应变测量值较为合理，而由SHPB原理计算的试样应变值明显偏大，需要摒弃或修正传统的SHPB数据处理方法。通过波形整形技术实现了恒应变率加载，弱化了径向惯性效应的影响，揭示出多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应。通过分析试样轴向应变和径向应变随着加载应力的变化，阐明多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性变形行为的物理机制是畴变和相变共同作用，并发现畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率升高而增大。保持加载应变率不变，讨论了孔隙率对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷动态力学行为的影响，发现随着孔隙率的升高，动态压缩强度呈非线性衰减，而畴变临界应力和相变临界应力则基本呈线性衰减。     

一元溶剂体系β-HMX球形化结晶形貌的分子动力学模拟

奥克托金(β-HMX)晶体形貌在很大程度上影响其安定性能、流散性和能量输出,其中溶剂对晶习的影响起着很关键的作用,因此研究溶剂对β-HMX结晶形貌影响的微观机理具有很重要的意义.运用分子动力学方法计算了五种溶剂作用下β-HMX五个重要的晶面层与溶剂层的相互作用能,对附着能进行了修正,预测了不同溶剂作用下β-HMX的晶体形貌.结果表明,β-HMX重要晶面与五种溶剂都呈吸引作用,五种溶剂都会对晶面的附着能产生很大影响,抑制晶面的生长速率,除N-甲基吡咯烷酮(NMP)外,其余四种溶剂作用下(020)面的相对生长速率都是最快的,在晶体的最终形貌中消失.二甲基亚砜(DMSO)溶剂作用下的晶体形貌相对比较好, N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、环己酮(CH)和NMP溶剂作用下的晶体形貌次之,γ-丁内酯(GBL)溶剂作用下的晶体形貌球形度最差.     

GGA+U法研究稀土(La、Ce、Pr、Nd)掺杂对ZnO电子结构和光学性质的影响

基于GGA+U的第一性原理方法,分析了La、Ce、Pr、Nd四种元素掺杂的ZnO结构,对晶体的结构、电子结构和光学性质进行了对比分析.由键布局分析可知,掺杂体系Zn-O键共价性的强弱与杂质掺入原子的序数成正比.掺杂后体系的类型仍为直接跃迁,能级整体下移;随着Pr、Nd掺入,出现了杂质能级,这是由稀土元素的4f电子态所导致.在光学性质方面,掺杂体系的吸收系数、静介电常数都比纯ZnO的高,体系的吸收边都向低能方向移动,其中Zn7LaO8的红移程度最高、静介电常数最大,说明其光催化能力和极化能力都最强.     

飞秒激光场中原子所受光学偶极力研究

通过求解全波矢布洛赫方程研究了两能级原子与飞秒超快激光脉冲的相互作用过程,计算了不同拉比频率取值下原子所受光学偶极力和粒子数布居随时间的演化情况,分析了光场失谐量对光学势分布情况的影响.研究发现:由飞秒激光场产生的横向光力的时间平均值并不等于零,而是随着拉比频率的增加呈现振荡的增大趋势;纵向光力的时间平均作用也并非是拉比频率的单调函数,而是随着拉比频率的增加呈现周期性的振荡分布特性;光学势的分布对光场的失谐量具有明显的依赖性,随着失谐量的变化,光学势的性质也随之发生了改变.     

聚苯乙烯泡沫材料的动态压缩特性

通过万能材料试验机和落锤式冲击试验装置,对发泡聚苯乙烯泡沫材料进行准静态和动态压缩试验,探讨密度和加载速率对材料动态压缩特性的影响。基于落锤试验数据,考虑密度相关性,通过修正得到恒定应变率下材料动态本构关系的经验公式。基于LS-DYNA中的MAT57和MAT163以及ABAQUS中的Low Density Foam和Crushable Foam 4种材料模型,建立了适用于有限元仿真的发泡聚苯乙烯泡沫本构模型。通过模拟落锤冲击过程,对比试验结果发现:MAT163和Crushable Foam模型能较好地预测材料动态响应和能量吸收性能,验证了动态本构模型的可靠性,并且这两种特定的材料模型在模拟发泡聚苯乙烯泡沫冲击碰撞时具有良好的适用性。     

含电子相影响的多功能含能结构材料冲击压缩理论计算

为了更好地描述疏松态金属材料的冲击压缩特性，基于托马斯-费米原子统计模型，研究金属晶体中电子热行为对系统内粒子数、内能、压强等参数的影响，修改了描述疏松金属材料的Wu-Jing模型中的参数R的计算方法。结合混合物的冷能叠加原理，得到考虑电子相影响的疏松态混合物物态方程。并对不同配比的密实态W/Cu合金、不同疏松度的Al/Ni合金的典型多功能含能结构材料进行计算，获得其冲击压力-比容关系及冲击波速度-粒子速度关系，计算结果与实验结果吻合较好。结果表明，本文中模型对未反应条件下的金属材料冲击压缩特性预测较好；疏松材料的冲击压力-粒子速度关系并不呈现出密实材料的近似线性关系，其冲击压缩过程分为压实前和压实后2个明显的阶段；多功能含能结构材料的冲击压缩特性受材料孔隙率、材料配比等影响明显。     

组合式十字形钢管混凝土柱偏压力学性能试验研究

设计了一种由槽钢和方形钢管拼焊形成的组合式十字形钢管混凝土柱,将其灵活地布置在框架结构的中节点,可使柱肢与填充墙等厚,有效地提高建筑使用面积。共制作了6根组合式十字形钢管混凝土柱试件,考虑了偏心距和长细比两种变化参数。通过对其进行偏心受压试验研究,考察了试件的破坏形态和荷载-挠度曲线,并分析了其在不同偏心距和长细比下的荷载-应变曲线发展规律。结果表明:组合式十字形钢管混凝土柱中钢管和槽钢对混凝土的约束作用强,表现为较高的延性系数;偏心距或长细比越大,试件的极限承载力及弹性刚度越小,且偏心距越大延性越好,长细比对延性影响不显著;在受拉侧纵向应变基本上符合平截面假定,在受压侧纵向应变不符合平截面假定。     

基于内聚力模型的快速荷载下CFRP-混凝土界面剪切剥离模拟

鉴于纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)已在混凝土结构加固中普遍应用, 能有效提高结构的承载和变形能力. 为揭示动载作用下FRP-混凝土界面的剥离机理, 本文基于ABAQUS平台, 采用内聚力模型模拟CFRP-混凝土界面层, 实现了快速荷载下CFRP-混凝土界面剥离的高效模拟. 结果表明: CFRP表面应变在加载过程中由加载端向自由端方向传递, 随着加载速率的提高, 界面承载能力也随之提高; 界面峰值剪应力也存在显著的应变率效应; 模拟结果与试验结果基本吻合, 说明了新方法的有效性.