石墨弹性波速与热力学函数的理论计算

在全电子水平上,基于广义梯度近似(GGA)的密度泛函理论和全势能线性缀加平面波方法(FLAPW)计算了石墨的晶体参数和弹性波速;在德拜模型的基础上,利用弹性波速方法和原子位移方法分别计算了石墨的德拜频率;采用统计物理方法计算了石墨在标准条件下(298.5 k,1 atm)的热容,熵,升华焓等热力学函数,并与实验值进行了比较.     

EuS高压相变及其弹性和热力学性质

采用平面波赝势密度泛函理论,利用第一性原理的方法研究了EuS的晶体结构、高压相变以及弹性性质．计算结果和实验值以及前人利用不同计算模型得到的理论值相吻合．研究了EuS的弹性常数、弹性模量和弹性的各向异性等力学性质随压力变化的趋势．同时研究了泊松比、德拜温度及纵波和横波的弹性波速随压力的变化趋势．基于德拜模型,进而研究了EuS在0～800 K和0～60 GPa下相变前后的热膨胀系数、热熔、Grüneisen参数等热力学性质．     

钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.     

硅酸镁钙钛矿弹性及热力学特性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理计算,结合准谐德拜模型研究了高压下硅酸镁钙钛矿的弹性及热力学特性. 计算得到的物态方程数据、热容、热膨胀系数等在宽广的温度和压力范围与实验结果及其他理论计算结果吻合. 根据有限应变理论计算了硅酸镁钙钛矿的弹性常数,并讨论了杨氏模量、泊松比、德拜温度、晶体各向异性随压力的变化.     

MgCu4Sn型稀土镁合金相力学和热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了典型立方结构合金相LaMgX4(X=Co, Ni, Cu)的力学特性和热力学特性。根据广义胡可定律计算了合金相的单晶弹性常数;根据单晶弹性常数和Hershey’s averaging方法计算了合金相的多晶弹性模量、泊松比、Zener各向异性因子和德拜温度。采用基于准谐近似的Gibbs2代码计算了LaMgX4(X=Co, Ni, Cu)合金相的吉布斯自由能、熵和等体热容与温度的关系。LaMgNi4的计算结果与其他文献计算结果及实验结果符合的很好。结果表明：LaMgX4 (X= Co, Ni, Cu)合金均为延展性、塑性和弹性各向异性材料。德拜温度按以下顺序递减：LaMgNi4>LaMgCu4>LaMgCo4。     

氮化铂在高压下的相变及弹性性质的第一原理计算

用PBE形式下的广义梯度近似（GGA）赝势平面波方法研究了氮化铂的结构相变以及弹性性质,计算了氮化铂的氯化钠（B1）、氯化铯（B2）、闪锌矿（B3）、纤维矿（B4）等四种结构并应用高压下的焓与压强的关系,得出在常温常压下B4结构是最稳定的结构,这与Yu 等人得的结果一致,且 B4→B1及B1→B2的相变压强分别发生在36.7 GPa和 185.4 GPa,同时,研究了B4结构在高压的弹性性质,发现弹性常数、体模量、剪切模量、压缩波速、剪切波速以及德拜温度均随着压强的增大而单调增大     

氮化铂在高压下的相变及弹性性质的第一原理计算

用PBE形式下的广义梯度近似（GGA）赝势平面波方法研究了氮化铂的结构相变以及弹性性质，计算了氮化铂的氯化钠（B1）、氯化铯（B2）、闪锌矿（B3）、纤维矿（B4）等四种结构并应用高压下的焓与压强的关系，得出在常温常压下B4结构是最稳定的结构，这与Yu 等人得的结果一致，且 B4→B1及B1→B2的相变压强分别发生在36.7 GPa和 185.4 GPa，同时，研究了B4结构在高压的弹性性质，发现弹性常数、体模量、剪切模量、压缩波速、剪切波速以及德拜温度均随着压强的增大而单调增大     

流体中声速的计算方法

由流体中纵波波速 C=(B/ρ)~(1/2)导得计算声速的基本公式 C=(((?)p/(?)ρ)_S)~(1/2)后,着重讨论了式中压强 p 不显合熵 S 时声速的计算方法.其结果对流体有普遍意义,特别是对难以得到解析的等熵方程式的尤有实用价值. 波速 C 与波长λ、颇率 v(或周期 T)称为描述波动特征的三个基本物理量.在波动部分的教学中,既要深入讲清波速的物理内涵,从加强应用的角度出发还要使学生会计算波速.从计算方法讲,一是用公式 C=λv=λ/T;二式是用公式 C=(B/ρ)~(1/2).前者适用于各种波,后者仅限流体中的弹性机械纵波.     

黏弹细棒中直达波提取及其动态力学参数的宽频测试

黏弹性材料的动态力学参数可通过对材料样品中纵波测试并结合波速法计算得到。由于测试样品尺寸的限制,除了高损耗材料在高频范围外,不管是在样品端头或侧面都难以获得准确的直达波信号,导致参数测量不准确。针对这个问题,对一端固定一端自由的黏弹性细棒中的纵波传播过程进行了分析,提出了黏弹性细棒直达波提取的方法,并实现了黏弹性材料动态力学参数的宽频测试。采用宽带脉冲作为测试激励信号,利用两台激光测振仪对细棒的固定端和自由端的振动速度进行测试,计算得到细棒自由端处的直达波。然后,利用提取出的直达波信号进行波速法计算,得到了黏弹性细棒宽频范围内的储能模量和损耗因子,宽频脉冲测试结果与黏弹仪测试结果相吻合,验证了该方法的有效性。基于直达波提取的宽频测试方法不仅效率高,而且可以使波速法应用于更低的频段。      

理论研究VTiTaNbAl_x高熵合金的结构与弹性力学性质

实验已证明VTiTaNbAl_x高熵合金(HEAs)为单相固溶体,它采用了体心立方结构.在本文中,我们使用基于密度泛函理论的饼模轨道(EMTO)结合相干势近似(CPA)方法,计算并分析了此高熵合金体系的平衡体性质,弹性常数及多晶弹性模量.结果表明:此系列高熵合金符合单相高熵合金的理论判据,具有较好的内在塑性,等摩尔比的VTiTaNb高熵合金趋于弹性各向同性.随着Al含量的增加,此系列高熵合金的弹性各向异性趋于增大,但对多晶弹性模量几乎没有影响;同时讨论了基于弹性常数计算的德拜温度.     

Electronic structure and elasticity of Z-phases in the Cr-Nb-V-N system

Structural properties and energetics of Cr-based Z-phases (CrNbN, Cr(Nb,V)N and CrVN) were investigated using the Vienna ab?initio simulation package (VASP) code employing the projector augmented wave (PAW) pseudopotentials by means of both local density approximation (LDA) and generalized gradient approximation (GGA) for the exchange and correlation term. The geometry of all studied phases including NbN, VN and elemental constituents (nonmagnetic bcc Nb and V and antiferromagnetic bcc Cr) was fully relaxed, providing the equilibrium structure parameters and total energies. The calculated lattice parameters of Z-phases correspond very well to the experimental data and decrease with increasing molar fraction of vanadium. Enthalpies of formation show that all three Z-phases are stable at T?=?0?K. The electronic structures of Z-phases including densities of states and charge densities were analysed. The calculated bulk moduli and elastic constants were used to evaluate stability conditions and elastic anisotropy ratios. It was confirmed that Z-phases are mechanically stable. Additional information on ductility was obtained from Cauchy pressures, Pugh ratios, Young moduli, and Poisson ratios. The ductility evaluated using the Pugh ratio decreases with number of vanadium atoms.     

ZnSe相变、电子结构的第一性原理计算

基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对闪锌矿结构(ZB)和岩盐结构(RS)的ZnSe在0—20GPa高压下的几何结构、态密度、能带结构进行了计算研究,分析了闪锌矿结构ZnSe和岩盐结构ZnSe的几何结构.在此基础上,研究了ZnSe的结构相变、弹性常数、成键情况以及相变压强下电子结构的变化机理.结果发现:通过焓相等原理得到的ZB相到RS相的相变压强为15.3GPa,而由弹性常数判据得到的相变压强为11.52GPa,但在9.5GPa左右并没有发现简单立方相的出现;在结构相变过程中,sp3轨道杂化现象并未消除,Zn原子的4s电子在RS相ZnSe的导电性中起主要贡献.     

一维固-固结构圆柱声子晶体中弹性波的传输特性

利用一维固-固结构圆柱声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在其中各个模式满足的关系式,利用它研究了弹性波各模式的特性.并利用转移矩阵研究了弹性波的传输特性随模式量子数和圆柱半径的变化规律.得出了一些一维固-固结构圆柱声子晶体的新特征,即弹性波的传输特性由模式量子数和圆柱半径决定. 关键词： 圆柱声子晶体 弹性波 受限 模式     

介观非均匀双相介质中局域流对弹性波传播的影响

针对弹性波衰减与速度频散问题，基于Pride和Berryman的介观非均匀双重孔隙介质理论模型，推导一组用位移表示，另一组用位移及孔压表示的全新形式的耦合动力学方程组，并基于双孔介质模型，推导出弹性波的相速度与逆品质因子的解析式，重点讨论介观尺度下的局域流动对弹性波传播特性的影响.数值算例表明：快波的速度随着频率的增加而迅速增加，且介观流动损失比Biot损失至少高一个数量级；同时局域流对慢波也有着不同程度的影响.证实了局域流是波能损失和相速度频散的主要因素.     

基于弹性模量检测骨疲劳的超声导波方法研究

研究早期诊断骨疲劳的方法是当前骨质评价方面的研究热点之一. 本文对不同弹性模量下长骨中超声导波的传播特性进行了理论分析和仿真研究.首先, 通过数值计算得到导波在管状长骨中的理论解析解.然后对管状长骨进行了时域有限差分(FDTD) 仿真, 并验证了它与理论解析解的一致性, 同时得到长骨中不同模式导波群速度、 中心频率和衰减与弹性模量的关系.研究结果表明各个导波模式的群速度和中心频率均随弹性模量的增加而增加, 而衰减随弹性模量的增加而减小.说明超声导波的传播特性参量可以反映长骨弹性模量的变化, 从而为长骨的早期疲劳诊断提供理论依据.     

立方结构Fe基磁性材料弹性系数第一性原理计算

通过赝势平面波法(CASTEP)及全电势线性缀加平面波法(FLAPW)，以bcc-Fe为对象，研究第一性原理计算立方结构Fe基磁性材料弹性系数的方法，分析影响计算立方结构Fe基磁性材料弹性系数准确度的各项因素. 结果表明，在第一性原理弹性系数计算中，晶格常数是决定弹性系数计算准确度的关键因素；势函数的选择也会影响计算准确度. 使用全电势基矢的FLAPW法可以得到更为精准的弹性系数计算结果. 计算得到bcc-Fe的弹性系数C₁₁，C₁₂，C₄₄分别为246 GPa，121 GPa，113 GPa，与实验值基本一致. 利用本方法，计算了新型Fe-Ga磁致伸缩材料的弹性系数C₁₁，C₁₂，C₄₄分别为207 GPa，166 GPa及108 GPa. 关键词： 弹性系数 磁致伸缩材料 赝势平面波法 全电势线性缀加平面波法     

弹性波在固-固结构矩形声子晶体中的传输特性

利用一维固-固结构矩形声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在其中各个模式满足的关系式,利用它研究了弹性波各模式的特性。并用转移矩阵研究了弹性波的传输特性随模式量子数和边长的变化规律。得出了一些不同于一维固-固结构非受限声子晶体的新特征,即一维矩形声子晶体的禁带由模式量子数确定,禁带的频率中心和频率宽度与模式量子数和边长有关。     

Anisotropy of elasticity and minimum thermal conductivity of monocrystal M4AlC3 （M = Ti,Zr, Hf）

The elastic constants, elastic anisotropy index, and anisotropic fractional ratios of Ti4AlC3, Zr4AlC3, and Hf4AlC3 are studied by using a plane wave method based on density functional theory. All compounds are characterized by the elastic anisotropy index. The bond length, population, and hardness of the three compounds are calculated. The degrees of hardness are then compared. The minimum thermal conductivity at high temperature limitation in the propagation direction of [0001](0001) is calculated by the acoustic wave velocity, which indicates that the thermal conductivity is also anisotropic. Finally, the electronic structures of the compounds are analyzed numerically. We show that the bonding of the M4AlC3 lattice exhibits mixed properties of covalent bonding, ionic bonding, and metallic bonding. Moreover, no energy gap is observed at the Fermi level, indicating that various compounds exhibit metallic conductivity at the ground state.     

Lattice dynamical calculation of the second Grüneisen constant of CsBr

The second order Grüneisen constant constitutes an additional measure of the anharmonicity in a solid (the Grüneisen constant itself being the first measure). This quantity and the corresponding second mode-Grüneisen parameters are calculated for CsBr using a modified rigid ion model of lattice dynamics. The model parameters are deduced from the three elastic constants and the long wavelength optical mode frequencies. Using the first and second order pressure dependences of these physical observables, the individual second mode-Grüneisen parameters are obtained as a function of wave vector. The temperature variation of the second Grüneisen constant is then deduced in a quasi-harmonic approximation. The second Grüneisen constant is also calculated from available thermodynamic data and is in reasonable agreement with the present theoretical prediction.