页岩气开采中的若干力学前沿问题

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域:介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.      

Alpha particle detector with planar double Schottky contacts directly fabricated on semi-insulating GaN:Fe template

Alpha particle radiation detectors with planar double Schottky contacts (DSC) are directly fabricated on 5-μm-thick epitaxial semi-insulating (SI) GaN:Fe film with resistivity higher than 1×10⁸Ω·cm. Under 10 V bias, the detector exhibits a low dark current of less than 5.0×10^-11 A at room-temperature, which increases at higher temperatures. Linear behavior in the semi-log reverse current-voltage plot suggests that Poole-Frenkel emission is the dominant carrier leakage mechanism at high bias. Distinct double-peak characteristics are observed in the energy spectrum of alpha particles regardless of bias voltage. The energy resolution of the SI-GaN based detector is determined to be ～ 8.6% at the deposited energy of 1.209 MeV with a charge collection efficiency of ～ 81.7%. At a higher temperature of 90 ℃, the measured full width at half maximum (FWHM) rises to 235 keV with no shift of energy peak position, which proves that the GaN detector has potential to work stably in high temperature environment. This study provides a possible route to fabricate the low cost GaN-based alpha particle detector with reasonable performance.     

10Gb/s单信道光纤传输系统性能仿真研究

光纤传输系统的优化设计是光纤通信质量的重要保证.本文基于光子传输设计套件(PTDS)软件平台,对光纤传输系统的传输特性作了大量仿真研究,并得出分析了一些重要参量如光纤长度,光纤的损耗和衰减,光功率大小等对光传输系统的影响规律,给出了相应的补偿措施.本文研究结果对优化光纤传输系统有一定的参考价值.     

异径正交圆柱壳极限压力的实验研究

内压下异径正交圆柱壳的极限承载能力受到普遍关注。本实验完成了ρ≈0.3,0.5,0.7,0.8四种开孔率的8个钢制模型实验研究。测量压力-应变曲线,按零曲率准则和双切线准则确定实验极限压力。结果和极限分析有限元上限格式解相当吻合。文中讨论了塑性流动大变形情况的应变测量技术问题。     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。     

质子辐照下正照式和背照式图像传感器的单粒子瞬态效应

CMOS图像传感器应用于空间任务时容易受到质子单粒子效应影响.本文采用商用正照式(FSI)和背照式(BSI)CMOS图像传感器开展了不同能量的质子辐照实验,实验中通过在线测试方法分析质子单粒子效应.其中,质子能量最高为200 Me V,总注量为10¹⁰ particle/cm~2,结果未发现外围电路的单粒子效应,但观察到像素阵列出现不同形状的单粒子瞬态亮斑.通过提取瞬态亮斑沉积能量和尺寸大小两个特征参数,比较了不同能量质子对瞬态亮斑特征的影响,以及FSI和BSI中瞬态亮斑特征的差异.最后,结合仿真方法,与实验结果进行比较,预测了质子在CMOS图像传感器像素单元产生瞬态亮斑的能量沉积分布.仿真结果验证了光电二极管耗尽区厚度减小和外延层减薄是导致BSI图像传感器中质子能量沉积分布左移的主要因素.     

热应力对非制冷红外焦平面微桥的影响及控制研究

非制冷红外焦平面阵列的微桥结构在微加工工艺中,由于温度的剧烈变化,在薄膜中产生热应力而引起微桥的变形,将对器件产生不利影响.利用有限元分析方法,对微桥在热应力作用下产生的变形进行了分析,提出了两种控制热应变的途径:1)选择一种低热膨胀系数、低杨氏模量的电极材料;2)在电极材料的表面沉积一层SiNx薄膜.仿真结果表明,两...     

大规模集成电路抗辐射性能无损筛选方法

空间辐射环境会对电子器件产生辐射损伤。由于商用器件性能普遍优于抗辐射加固器件,所以从商用器件中筛选出抗辐射性能优异的器件将在一定程度上提高空间电子系统的可靠性。结合数学回归分析与物理应力实验的方法,研究了集成电路抗辐射性能无损筛选技术。通过不同的外界能量注入及总剂量辐照实验,探究电路典型参数的应变情况与电路耐辐射性能的关系,并确定其辐射敏感参数;建立预测电路抗辐射性能的多元线性回归方程,并对应力条件下的回归方程进行辐照实验验证。结果显示,物理应力实验与数学回归分析结合的筛选方法减小了实验值与预测值的偏差,提高了预估方程的拟合优度和显著程度,使预估方程处于置信区间。     

栅控横向PNP双极晶体管辐照感生电荷的定量分离

设计并制作了一种栅控横向PNP双极晶体管测试结构,在常规横向PNP双极晶体管基区表面氧化层上制作了一栅电极,利用栅扫描法,通过扫描栅极所加电压,获得了基极电流随栅极电压的变化特性.理论推导和数学计算获得了氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷的定量变化,分离出栅控横向PNP双极晶体管在辐照及其室温退火过程中感生的缺陷.对设计的晶体管测试结构和采用的测试方法做了具体介绍.