颗粒介质弹性的弛豫

颗粒介质是复杂的多体相互作用体系, 其弹性源自内部的力链结构, 弹性能量处在亚稳态, 具有复杂的弛豫行为. 在常规作用下, 颗粒介质往往呈现明显的弹性弛豫. 应力松弛是应变恒定时应力的衰减现象, 弹性弛豫是应力松弛的主要原因. 在前期工作基础上, 从弹性势能面和双颗粒温度热力学角度分析了弹性弛豫的机理, 量化了弹性应力演化不可逆过程; 基于双颗粒温度热力学计算得到了弹性能、颗粒温度和应力的演化, 其中应力松弛的计算结果与实验结果基本一致, 讨论了颗粒温度初值和输运系数的影响. 指出, 开展力链结构及其动力学研究是揭示宏观弹性弛豫机理的关键.     

低温凝聚InSb膜相变过程中的时间效应和超导电性

本文研究了低温凝聚InSb膜相变过程中出现的时间效应和超导电性,获得了几个重要结果:(a)低温凝聚InSb膜从发生第一次电导跃变以后到第二次电导跃变之前,样品处于同一非晶金属态,并且具有相同的超导转变温度T_c;(b)T_c和退火温度T_a的关系十分类似于电导随T_a的变化关系;(c)随着第二次电导峰值后的电导下降,在某些特殊的相变区R(T)超导转变中,样品由完全的超导电性逐渐过渡到部分的超导电性;(d)相变过程中存在显著的时 关键词：     

颗粒介质的结构及热力学

颗粒介质具有远程无序和近程有序的结构, 是产生动力学不均匀性(dynamical heterogeneity) 和复杂不可逆过程的根源. 本文分析了颗粒介质的结构特征、变形和能量耗散之间的内在关联, 讨论了颗粒介质的弹性, 提出了流变应变增量、耦合应变增量和弹性应变增量的应变增量分解方式. 沿用非平衡热力学框架, 引入表征运动无序的动理学颗粒温度T^k和表征弹性应力涨落的构型温度T^c, 作为非平衡态变量, 建立了双颗粒温度热力学(two-granular-temperature thermodynamics, TGT理论), 注重分析了不可逆过程中的热力学力和流, 并与著名的砂土内变量热力学进行了对比.     

锆基非晶合金的动态弛豫和应力松弛

非晶合金动态弛豫、变形和微观结构非均匀性之间的关联是非晶态物理领域重要研究内容之一.本文选取玻璃形成能力优良,热稳定性好的Zr₄₈(Cu_5/6Ag_1/6)₄₄Al₈块体非晶合金作为研究载体,借助于动态力学分析及应力松弛实验探究了温度和结构弛豫对非晶合金动态弛豫和变形行为的影响.研究结果表明非晶合金动态弛豫行为对温度极其敏感,随温度升高表现为等构型、老化、玻璃转变和晶化4个阶段.基于玻璃转变温度之下等温测试,结构弛豫行为导致非平衡高能量状态非晶合金向低能量状态迁移,内耗随时间演化规律可用Kohlrausch-Williams-Watts (KWW)扩展指数方程描述.此外,基于KWW方程和激活能谱等方法分析了模型合金应力松弛过程中非均匀结构激活,该过程涉及弹性变形向非弹性变形的转变.由于非晶合金存在微观尺度的结构非均匀性与能量起伏,变形单元的激活并非为单一特征时间,而是服从一定分布.通过考虑对数时间尺度和变形单元激活的特征时间分布分别为对称Gauss分布和非对称Gumbel分布,可...     

CO2跨临界系统在冷藏车上的应用研究

采用CO₂双缸滚动转子压缩机搭建冷藏车用制冷机组，在焓差室内测试车厢温度(T_a)、压缩机频率(f)与排气压力(P_d)对排气温度(T_d)、制冷量(Q₀)和能效比(COP)的影响，分析机组用于冷藏车的可行性，适用的冷藏车类型及最佳运行方式.结果表明：名义工况下，Q₀=1.47 kW,COP=0.91,满足运输用制冷机组标准.在环境温度T_w=30℃,车厢温度T_a=0℃时，机组最大制冷量为Q₀=2.43 kW,因此机组可适用于车厢容积18m³内的D类冷藏车.用于上述冷藏车时，机组最佳运行方式为：预冷工况下，车厢温度T_a>5℃时，采用f=140 Hz,P_d=10 MPa运行；车厢温度T_a≤5℃时，采用f=140 Hz,P_d=9 MPa运行；运输工况下，采用f=80 Hz,P_d<...     

退火对Co35(SiO2)65颗粒膜巨磁电阻效应的影响

采用多靶离子束溅射镀膜机制备了一系列不同退火温度的Co₃₅(SiO₂)₆₅（体积百分数）颗粒膜样品,发现样品的巨磁电阻效应随着退火温度T_a的升高而单调下降.应用磁力显微镜对样品的磁结构进行了观测,发现随着退火温度的升高,近邻的Co颗粒的磁矩倾向于平行排列,形成磁畴结构,从而导致Co₃₅(SiO₂)₆₅颗粒膜巨磁电阻效应单调下降. 关键词：     

铁基超导体Fe1+yTe1-xSex中磁性的中子散射研究

本文对本研究组主要的研究领域——利用中子散射研究铁基超导体系Fe_1+yTe_1-xSe_x中磁性与超导的相互作用进行简要综述. Fe_1+yTe_1-xSe_x具有和其他铁基、铜基超导体相似的相图——母相Fe_1+yTe是反铁磁体, 随着Se掺杂的增加, 母相的反铁磁序受到抑制, 随后在x～30%处体超导出现, 在x～50%处达到最佳掺杂, 此时超导转变温度T_c～ 15 K, 达到整个体系在常压下的T_c最大值. 它们的相图又存在着差别: 在相图末端, 即当Se掺杂达100%时, Fe_1+ySe 仍然超导, T_c～8 K. 该体系母相磁有序的面内波矢大致为(0.5,0) (采用每个原胞含2个铁原子的四方结构), 随着Se含量的增加, 在超导逐渐发展的同时, 磁激发谱的谱重被逐渐转移到波矢为(0.5,0.5) 处. (0.5,0.5) 处在温度低于T_c 时出现中子-自旋共振峰. 施加外磁场后, 超导受到抑制, 该共振峰也被压制. 从这些实验结果我们得到以下的结论: 在这个体系中磁性和超导紧密耦合在一起——(0.5,0) 处的静态磁有序与超导互相竞争, (0.5,0.5) 附近的自旋激发则可能对超导电性的形成具有重要的促进作用. 本文还将简要讨论磁性的来源和3d 过渡金属的替代效应.     

摩擦颗粒体系各向同性压缩过程中的堵塞行为

利用分子动力学方法,模拟了5000个表面轻微摩擦(μ=1×10^-4)的弹性颗粒组成的体系在各向同性压缩过程中的堵塞(jamming)现象,研究了颗粒体系对边壁压强P和对关联函数第一个峰的高度g₁随体积分数φ的变化规律. 结果表明,当体系的体积分数φ大于临界体积分数φ_c时,P(φ)曲线表现出明显的黏滑(stick-slip)行为,法向的力-力关联函数、切向的力-力关联函数和颗粒的位置-位置关联函数同时发生跳变,说明宏观黏滑现象源自内部的力位形和几何构形的调整. 体系在φ缓慢增大过程中得到了不同的堵塞态,随着颗粒粒径的缓慢减小,体系得以松弛(unjamming),实现松弛过程并得到相应的φ_c. 对于不同堵塞态,其边壁压强P与φ-φ_c遵从幂律标度P∝(φ-φ_c)^0.964. 关键词： 堵塞相图 对关联函数 力-力关联函数 标度规律     

注氢铁基二元合金中辐照位错环演化及退火温度影响研究

本文基于注氢纯铁和铁基二元合金(Fe-3%Cr、Fe-1.4%Ni和Fe-1.4%Mn,质量分数)开展常规透射电镜(200 kV)的原位表征观察,揭示了材料中辐照位错环的形态、尺寸演化行为及退火温度影响,并依据辐照损伤演化理论、退火过程中位错环平均尺寸变化推断得到空位型位错环形成温度的范围.注氢纯铁中空位型位错环的形成温度(T_c)约为500℃;添加Ni可使T_c降低至～450℃,添加Cr可使T_c升高至600℃以上,而Mn的作用与Cr相似,亦可使T_c升高.注氘实验和热脱附谱分析进一步表明,纯铁和铁基二元合金中空位型位错环的形成温度受氢同位素与空位结合、释放过程影响.合金元素Ni对氢同位素与空位的结合、释放有促进作用,故导致T_c降低;而Cr和Mn均对氢同位素与空位的结合、释放产生抑制作用,故导致T_c升高.本文展示的有关合金元素对空位型位错环形成温度影响的研究将有助于更深刻理解铁基合金体系中损伤结构演化和辐照肿胀产生机理.     

Yb-Ba-Cu(O,F)体系超导电性、点阵常数和热学特性的研究

本文叙述了Yb-Ba-Cu(O,F)体系超导体的制备,点阵常数、单胞体积以及T_c随F加入量和O含量的变化。实验结果表明,在YbBa₂Cu₃O_7-x-δF_2x(0≤x≤1)体系中,O含量越低,T_c越高,点阵常数和单胞体积就越大。晶体结构分析结果证明点阵常数a与b的差值愈大的正交相结构,其超导性能愈好,表明一维Cu-O链结构对高T_c超导机制有重要作用。 关键词：     

纳米多晶金属样本构建的分子动力学模拟研究

研究了分子动力学模拟中纳米多晶金属样本的构建过程.首先采用Voronoi几何方法生成初始的纳米多晶铝和铜样本,然后用快速冷凝(或共轭梯度)法得到样本的局域最低能态,最后在恒温零应力周围环境下(常温常压NPT系综)退火得到最低能态样本.使用样本的残余内应力来衡量纳米多晶样本是否与实验制备的一致.通过监测这两步弛豫过程中晶界结构的变化形态、体系平均内应力和能量下降过程及具体的局域分布和不同弛豫条件下最终样本的弹性常数,发现样本的能量和残余内应力都接近实验制备的纳米多晶金属.对Voronoi几何法生成的晶界而言     

Dynamical process of complex systems and fractional differential equations

Behavior of dynamical process of complex systems is investigated. Specifically we analyse two types of ideal complex systems. For analysing the ideal complex systems, we define the response functions describing the internal states to an external force. The internal states are obtained as a relaxation process showing a “power law” distribution, such as scale free behaviors observed in actual measurements. By introducing a hybrid system, the logarithmic time, and double logarithmic time, we show how the “slow relaxation” (SR) process and “super slow relaxation” (SSR) process occur. Regarding the irregular variations of the internal states as an activation process, we calculate the response function to the external force. The behaviors are classified into “power”, “exponential”, and “stretched exponential” type. Finally we construct a fractional differential equation (FDE) describing the time evolution of these complex systems. In our theory, the exponent of the FDE or that of the power law distribution is expressed in terms of the parameters characterizing the structure of the system.     

苯乙炔分子电子激发态超快动力学研究

采用飞秒时间分辨质谱技术结合飞秒时间分辨光电子影像技术研究了苯乙炔分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学.用235 nm光作为泵浦光,将苯乙炔分子激发到第二激发态S2,用400 nm光探测激发态的演化过程.时间分辨的母体离子的变化曲线用指数和高斯函数卷积得到不同的两个组分,一个是超快衰减组分,时间常数为116 fs,一个是慢速组分,时间常数为106 ps.通过分析时间分辨的光电子影像得到光电子动能分布,结合时间分辨光电子能谱数据发现,时间常数为116 fs的快速组分反映了S2态向S1态的内转换过程.实验还表明S1态通过内转换被布局后向T1态的系间窜跃过程为重要的衰减通道.本工作为苯乙炔分子S2态非绝热弛豫动力学提供了较清晰的物理图像.     

可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.     

Force chain buckling,unjamming transitions and shear banding in dense granular assemblies

Force chain buckling, leading to unjamming and shear banding, is examined quantitatively via a discrete element analysis of a two-dimensional, densely-packed, cohesionless granular assembly subject to quasistatic, boundary-driven biaxial compression. A range of properties associated with the confined buckling of force chains has been established, including: degree of buckling, buckling modes, spatial and strain evolution distributions, and relative contributions to non-affine deformation, dilatation and decrease in macroscopic shear strength and potential energy. Consecutive cycles of unjamming–jamming events, akin to slip–stick events arising in other granular systems, characterize the strain-softening regime and the shear band evolution. Peaks in the dissipation rate, kinetic energy and local non-affine strain are strongly correlated: the largest peaks coincide with each unjamming event that is evident in the concurrent drops in the macroscopic shear stress and potential energy. Unjamming nucleates from the buckling of a few force chains within a small region inside the band. A specific mode of force chain buckling, prevalent in and confined to the shear band, leads to above-average levels of local non-affine strain and release of potential energy during unjamming. Ongoing studies of this and other buckling modes from a structural stability standpoint serve as the basis for the formulation of internal variables and associated evolution laws, central to the development of thermomicromechanical constitutive theory for granular materials.     

Grain boundary segregation and relaxation in nano-grained polycrystalline alloys

The present study carries out systematic thermodynamics analysis of Grain Boundary(GB)segregation and relaxation in NanoGrained(NG)polycrystalline alloys.GB segregation and relaxation is an internal process towards thermodynamic equilibrium,which occurs naturally in NG alloys without any applied loads,causes deformation and generates internal stresses.The analysis comprehensively investigates the multiple coupling effects among chemical concentrations and mechanical stresses in GBs and grains.A hybrid approach of eigenstress and eigenstrain is developed herein to solve the multiple coupling problem.The analysis results indicate that the GB stress and grain stress induced by GB segregation and relaxation can be extremely high in NG alloys,reaching the GPa level,which play an important role in the thermal stability of NG alloys,especially via the coupling terms between stress and concentration.The present theoretic analysis proposes a novel criterion of thermal stability for NG alloys,which is determined by the difference in molar free energy between a NG alloy and its reference single crystal with the same nominal chemical composition.If the difference at a temperature is negative or zero,the NG alloy is thermal stable at that temperature,otherwise unstable.     

Conformational temperature characterizing the folding of a protein

The time sequences of the molecular dynamics simulation for the folding process of a protein is analyzed with the inherent structure landscape which focuses on the configurational dynamics of the system. Time-dependent energy and entropy for inherent structures are introduced, and from these quantities a conformational temperature is defined. The conformational temperature follows the time evolution of a slow relaxation process and reaches the bath temperature when the system is equilibrated. We show that the nonequilibrium system is described by two temperatures, one for fast vibration and the other for slow configurational relaxation, while the equilibrium system is described by one temperature. The proposed formalism is applicable widely for systems with many metastable states.     

三轴应力下花岗岩加载破坏的能量演化和损伤特征

为揭示不同围压下硬岩在破坏过程中的力学性质和能量演化规律,基于RMT-150B岩石力学试验系统对花岗岩试样进行不同围压条件下常规三轴压缩试验。研究结果表明:岩样的峰值应力和围压具有较强的线性关系,利用Mohr-Coulomb强度准则求出花岗岩的黏聚力为23.548 MPa,内摩擦角为57.629°。围压对花岗岩加载破坏过程中能量演化的影响显著,岩石的峰值能量、弹性应变能以及耗散能都随着围压的增大而增大,且两者呈线性增加关系。根据岩石的线性储能规律,提出了确定岩石应力阈值的方法。围压越大,起裂应力和扩容应力越大,且岩样起裂点处与扩容点处的能量也越大;当围压较低时,岩石破坏前储存的能量较少,破坏时能量释放速率低,岩样表现为典型低劈裂破坏;在高围压情况下,能量快速释放,岩样表现为剪切破坏。基于能量演化规律,提出了岩石损伤演化模型,得到了花岗岩的损伤变量D在不同围压下加载破坏过程中的演化规律。