界面摩擦过程非连续能量耗散机理研究

结合无磨损界面摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型,运用量子理论建立了微观能量耗散的量子力学模型.分析表明：在滑动过程中,当界面原子从一种平衡态跳跃至另一种平衡态时,摩擦功以离散形式耗散为界面原子热振子,且界面吸收能量的能力是离散的;高能态界面较低能态界面吸收能量的能力强,表现为易于吸收界面势能.界面原子吸收和释放能量的离散性在宏观上表现为摩擦功耗散的非连续性,为从微观角度解释无磨损界面摩擦状态周期性变化提供了理论基础. 关键词： 摩擦 非连续能量耗散 复合振子模型     

量子级联激光器有源核中界面声子的特性研究

研究了量子级联激光器有源核中界面声子的色散关系和静电势分布. 根据有源核内部的平移不变性导出了界面声子的色散关系. 计算显示有源核中的界面声子可以分为体声子和表面声子模式. 体声子的色散曲线构成一系列准连续的声子子带，其静电势分布于整个有源核并呈现出Bloch波的特征. 表面声子的色散曲线位于各体声子子带的带隙内，其静电势局域在有源核一侧. 这些结果将有助于量子级联激光器和子带跃迁激光器的优化设计.     

摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型研究

提出无磨损界面摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型，指出滑动摩擦过程同时存在整体做低频弹性振动的宏观振子和界面原子受激励产生热振动的微观振子，并在此基础上分析了宏观振子和微观振子对摩擦能量耗散的不同影响. 通过对界面原子的动力学分析，指出摩擦过程界面激励力的频率是能量转换的关键:在平衡力作用阶段，界面作用力的频率趋于零，因而可以直接作用到每个原子，力的作用效果是整体和均匀的；在失稳跳跃阶段,由于界面激励力的频率极高，造成摩擦界面原子获得的能量分布很不均匀，从而产生不可逆的能量耗散过程. 与目前通用的独立振子模型比较，复合振子模型能够更准确描述摩擦能量耗散过程，可为摩擦控制提供理论指导. 关键词： 摩擦 能量耗散机理 复合振子模型 独立振子模型     

声子角动量与手性声子

在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.     

声子色散对抛物量子点中极化子基态能量的影响

在声子色散影响下利用压缩态变分法计算了抛物量子点中弱耦合极化子的基态能量。采用的变分方法是基于逐次正则并且利用单模压缩态变换处理通常被我们所忽略的在第一次幺正变换中产生的声子产生湮灭算符的双线性项。计算得出了在考虑声子色散的情况下抛物量子点中弱耦合极化子的基态能量的数学表达式。讨论了抛物量子点中在电子-声子弱耦合情况下,受限长度,电子-声子耦合常数,色散系数与极化子基态能量之间的依赖关系。     

热激发效应对界面摩擦的影响

论文主要从微观角度研究摩擦热产生的机理及摩擦热对摩擦性能的影响. 依据固体物理学中原子热振动理论, 以界面摩擦为研究对象, 从分析界面原子的受迫振动出发, 得出界面摩擦过程中原子的振动实际上是自激振动和受迫振动的叠加, 界面原子在非平衡状态下的热振动将导致声子的激发和湮灭, 进而导致摩擦热的产生, 摩擦界面的温度升高. 然后, 从温度对界面原子能级分布和跃迁的影响角度探讨了热激发效应对界面摩擦的影响, 分析得出如下结论: 温度低时, 界面原子处在激发态的概率随着温度的升高而增加, 导致摩擦系数随温度增加而增加; 温度在100 K附近界面原子处在激发态的概率出现峰值, 导致摩擦系数出现峰值; 当温度高于临界值后, 摩擦系数随温度的升高反而会降低. 最后将本文的理论分析的结果与他人的实验结果对比, 显示两者的趋势一致, 表明本文提出的理论和方法可行.     

声子气的黏度

声子是介电固体中导热过程的主要载体,研究声子的黏性对正确预测纳米材料中的非傅里叶导热等现象有着重要意义.本文从热质理论出发,基于涨落耗散理论导出了声子气黏度的表达式:ηh=hv/3πλα,其中ηh表示声子气的黏度,v_a为声子平均频率,λ为声子波长,α为材料热扩散系数。预测了单晶硅在300 K时的声子气黏度,其参考值为4.8×10~(-9)Pa·s。并且与基于声子水动力学模型和气体动理论模型的声子气黏度结果进行比较,发现本文模型的结果比声子水动力学模型的结果大2个量级,而比动理论模型小5个量级。     

表面声子研究及进展

本文重点讨论近年对固体表面振动模式的基本类型及其理论和实验研究状况。所讨论的振动模式包括长、短波表面声学模及表面光学模。对其它与表面振动有关的性质,如比热和与固体物体表面吸附物有关的振动模也加以简单论述。     

声子色散和库仑势对量子点中极化子基态能量的影响

本文在声子色散和库仑束缚势的影响下利用压缩态变分法计算了抛物量子点中弱耦合极化子的基态能量。采用的变分方法是基于逐次正则并且利用单模压缩态变换处理通常被我们所忽略的在第一次幺正变换中产生的声子产生湮灭算符的双线性项。计算得出了在考虑声子色散和库仑束缚势的情况下抛物量子点中弱耦合极化子的基态能量的数学表达式。讨论了在弱耦合情况下,受限长度,电子-声子耦合常数,色散系数,库仑结合参数与基态能量之间的依赖关系。     

半导体超晶格界面声子的拉曼散射与对界面本质的认识

介绍了对半导体超晶格中宏观和微观两种界面声子研究的最新结果，深入讨论了这些新结果的物理意义，以及有待进一步研究的问题 。     

基于非连续能量耗散的滑动摩擦系数计算模型

分析了界面摩擦状态下能量非连续耗散过程,建立了简化条件下晶体材料界面摩擦滑动摩擦系数计算模型.结果表明:在弹性接触状态下,滑动摩擦系数与载荷及实际接触面积无关,当实际接触面积接近名义接触面积时,滑动摩擦系数随载荷增加而减小.在缓慢滑动时,滑动摩擦系数随滑动速度的增高而缓慢增大,相对滑动速度愈高,滑动摩擦系数增大趋势愈显著.滑动摩擦系数随晶格常数的增加而降低,而当晶格常数较大时,其变化对滑动摩擦系数影响较小.同时,滑动摩擦系数随原子的可能温升增加而增大.研究结论对工程应用及相关的理论研究具有一定的参考意义. 关键词： 滑动摩擦系数 非连续能量耗散 界面摩擦     

Energy dissipation in solid friction

Dissipation in solid friction is studied as a function of the elastic properties of the two sliding surfaces. The two surfaces have been constructed by embedding macroscopic asperities in an elastic layer. It is shown that when the surfaces are rigid the energy dissipation is smaller than in the elastic case. The scaling of the friction force as a function of the asperity number is also studied. Received 9 November 1998     

Energy dissipation of a friction damper

In this paper the energy dissipated through friction is analysed for a type of friction dampers used to reduce squeal noise from railway wheels. A one degree-of-freedom system is analytically studied. First the existence and stability of a periodic solution are demonstrated and then the energy dissipated per cycle is determined as a function of the system parameters. In this way the influence of the mass, natural frequency and internal damping of the friction damper on the energy dissipation is established. It is shown that increasing the mass and reducing the natural frequency and internal damping of the friction damper maximizes the dissipated energy.     

Mechanism analysis and improved model for stick-slip friction behavior considering stress distribution variation of interface

Studying the evolution of interface contact state, revealing the "black box" behavior in interface friction and establishing a more accurate friction model are of great significance to improve the prediction accuracy of mechanical system performance. Based on the principle of total reflection, a visual analysis technology of interface contact behavior is proposed. Considering the dynamic variation of stress distribution in interface contact, we analyze the nonlinear characteristics of contact parameters in different stages of stick-slip process using the above-mentioned experimental technology. Then, we find that the tangential stiffness of the interface is not a fixed value during the stick-slip process and the stress distribution variation is one of the important factors affecting the tangential stiffness of interface. Based on the previous experimental results, we present an improved stick-slip friction model, considering the change of tangential stiffness and friction coefficient caused by the stress distribution variation. This improved model can characterize the variation characteristics of contact parameters in different stages of stick-slip process, whose simulation results are in good agreement with the experimental data. This research may be valuable for improving the prediction accuracy of mechanical system performance.     

基于耦合振子模型的摩擦力计算研究

以界面摩擦为研究对象,探讨了基于耦合振子模型(coupled-oscillator model)的滑动摩擦微观机理,分析了滑动过程中的能量耗散问题. 采用Maugis-Dugdal接触模型替代界面摩擦中的Lennard-Jones势能,并将该模型融入耦合振子模型之中,通过计算振子在一个周期内的能量增加值,推导出了界面摩擦力的理论计算公式. 理论分析表明,对于探针-试样接触系统,滑动摩擦力近似随着法向载荷的2/3次方增加,这与纳米摩擦学经典理论是相符的.理论计算结果与超高真空原子力显微镜镀铜探针在Cu(111)晶面扫描实验结果符合良好,表明本文提出的理论和方法可行. 关键词： 耦合振子模型 界面摩擦 摩擦力 法向载荷     

Molecular origin of friction

The wearless friction originating from molecular interactions has been discussed in this paper. We find that the frictional properties are closely related to the structural match of two surfaces in relative motion. For the surfaces with incommensurate structure and week inter-surface interaction, zero static and kinetic friction can be achieved. In a sliding considered as in a quasi-static state, the energy dissipation initiates when interfacial particles move in a discontinuous fashion, which gives rise to a finite kinetic friction. The state of superlubricity is a result of computer simulations, but the prediction will encourage people to look for a technical approach to realizing the state of super low friction.     

界面羟基对碳纳米管摩擦行为和能量耗散的影响

本文采用分子动力学模拟研究了羟基对碳纳米管摩擦和能量耗散方式的影响.研究结果表明:由于界面间氢键的形成,碳纳米管所受的平均摩擦力明显增大;随着羟基比例的改变,界面间氢键的数量与摩擦力的变化趋势一致;碳纳米管的手性角对摩擦力有一定的影响,扶手椅型碳纳米管所受的摩擦力比其他类型的碳纳米管的大;直径对摩擦力的影响较大,直径越大界面间的摩擦力越大,其原因是大直径的碳纳米管底部变平导致界面接触面积增大;界面接枝羟基后,体系的声子态密度中出现羟基的振动峰;随羟基比例的增加,羟基的振动在能量耗散中起到更为重要的作用,当碳纳米管和硅基底的羟基比例为10%/20%时,体系能量耗散的主要途径由碳纳米管和硅基底的振动转变为羟基的振动.