非晶材料与物理近期研究进展

由于结合了金属和玻璃的特性,非晶合金表现出许多新奇和优异的力学和物理性质,在很多领域具有广泛的应用前景.非晶合金具有连续可调的成分、简单无序的原子结构、丰富多变的材料性质,为研究非晶态物理中的许多共性科学问题提供了理想的模型材料.块体非晶合金的发展更是将玻璃和液体及其相关科学问题的研究推进到凝聚态物理和材料科学的研究前沿.中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室亚稳材料合成、结构及性能研究组(EX4组)近二十年来一直致力于非晶材料和物理的研究,在新型非晶合金的制备、物性以及相关机理的研究上取得了许多重要成果.本文介绍团队最近在非晶材料和物理机理方面取得的研究成果,包括非晶合金的动力学行为和调控、非晶合金的表面动力学、功能应用以及材料探索新方法等.     

基于钻杆推力法及钻杆扭矩法预测冲击地压试验研究

建立了钻杆力学模型,得出钻杆推力、扭矩与煤体应力之间的关系。分析表明:钻屑过程中,煤体应力增大时,钻杆扭矩增大,钻杆推力减小;煤体强度增大时,钻杆扭矩增加,钻杆推力增大。利用新型钻削设备及推力、扭矩测试装置模拟井下条件进行试验,得到了不同轴压、围压下钻杆推力平均值、扭矩平均值与煤体应力之间的变化规律。试验结果表明:相同的钻机设备不变,外界其它因素一定时,对同种煤岩性质的试件进行钻削,钻杆推力与煤体应力为负相关关系;钻杆扭矩与煤体应力为正相关关系。通过测试钻杆推力和扭矩的实验数值,反演出煤体应力的大小,进而可以预测冲击地压的危险性,研究结果可为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

基于优化估计的深度图像修复与误差补偿方法研究

针对Kinect传感器在获取深度图像时存在深度值随机跳变的不准确性问题,基于最优估计的思想,提出卡尔曼滤波与多帧平均法相结合的图像修复方法。首先利用卡尔曼滤波对多幅深度图像进行修复处理,实现Kinect传感器在采集信息过程中随着时间递推,深度值的跳变逐渐趋于平稳的效果;然后基于多幅图像平均法确定最终的深度图像,解决了Kinect获取深度值存在误差导致的不精确问题。实验结果表明,该算法的均方根误差为38.102 5,平均梯度为0.471 3,信息熵为6.191 8,与单幅图像修复效果相比,得到的深度图像边缘更加清晰。     

应用近红外高光谱成像技术检测面粉中偶氮甲酰胺

高光谱成像技术不仅可以获得样品的图像信息,每个像素点还包含了光谱信息,因其信息量丰富的特点已在食品安全检测方面得到了应用。该研究应用近红外高光谱成像技术检测面粉中偶氮甲酰胺。分别采集纯偶氮甲酰胺、纯面粉和面粉中10种不同浓度偶氮甲酰胺混合样品的高光谱图像。通过比较纯偶氮甲酰胺和纯面粉的平均漫发射光谱,找到两者区分度较大的4个吸收波段：1 574.38,2 038.55,2 166.88和2 269.91 nm。采用二阶导数对样品图像中的像素点光谱进行预处理,通过光谱角制图、光谱相关角和光谱相关性度量三种光谱相似性分析方法对混合样品中的偶氮甲酰胺像素和面粉像素进行检测。结果表明,预处理后的平均光谱不能有效检测面粉中偶氮甲酰胺;单像素点光谱结合光谱相似性分析实现了混合样品中偶氮甲酰胺像素和面粉像素的分类;分类结果的验证显示了偶氮甲酰胺像素和面粉像素的正确分类。研究结果为利用高光谱技术检测面粉中添加剂提供了方法支持,为食品中掺杂物的检测提供参考。     

基于多变量统计分析的冬小麦长势高光谱估算研究

利用高光谱分析技术实现冬小麦长势的准确、无损监测具有重要的实践意义。基于连续两年的氮素运筹试验,通过获取叶面积指数(LAI)、地上干生物量(AGDB)、地上鲜生物量(AGFB)、植株含水量(PWC)、叶绿素密度(CH.D)和氮素积累量(ANC)六个冬小麦长势指标及冬小麦冠层高光谱,引入主成分分析法(PCA)构建可表征冬小麦长势的综合长势指标(CGI),并结合偏最小二乘回归法(PLSR)构建CGI的高光谱估测模型。结果表明,除植株含水量外,其他长势指标与所构建的CGI都达到极显著水平,表明利用CGI可以表征各长势指标信息。对比CGI和其他各长势指标的PLSR模型表现可知,CGI光谱监测模型表现最优(R2=0.802,RMSE=1.268,RPD=2.015),也具有较高的预测精度和稳健度(R2=0.672,RMSE=1.732,RPD=1.489)。表明基于PCA方法所构建的CGI可以表征冬小麦长势,利用PLSR方法可以实现对冬小麦长势的准确监测,且监测效果要优于单一的冬小麦长势指标。     

基于轴锥镜对的高光能利用率激光通信天线性能分析

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案,通过对入射光束的光强重新排布,降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失,提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布,比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明:高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下,通过合理调整入射光束腰大小,光能利用率分别可达到99%和96%以上,远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布,发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.     

基于价格极值构建有效价差的广义矩估计

基于Corwin和Schultz(2012)提出的有效价差的High-Low估计,结合价格极值信息得到新的一阶矩条件,构造了有效价差的广义矩估计。随后通过随机数值模拟比较了基于价格极值的广义矩估计(GMM)与Roll的协方差估计、Bayes估计以及Corwin和Schultz的High-Low估计在多种不同状态下的估计精度。数值模拟结果显示,无论在交易连续的理想状态下还是交易不连续且波动率相对不高的非理想状态下,GMM估计的精度均高于其余三种估计;基于我国股票市场的实例分析,也表明GMM估计的估计精度优于其余三种估计。因此,GMM估计为度量金融资产的交易成本提供了一种有效方法。     

时序控制预裂爆破参数优化及应用

针对白鹤滩水电站地下厂房的爆破开挖,为降低爆破对岩体的损伤,采用数值模拟与现场试验研究小孔径时序控制预裂爆破中,后爆孔孔间延期时间及后爆孔孔距对时序控制预裂爆破成缝的影响,从而获取合理的延期时间和最佳的后爆孔孔距。研究结果表明,孔径为42mm的时序控制预裂爆破,先爆孔孔距为35cm时,合理的起爆延期时间为75~100μs;综合考虑炸药爆炸能量利用率和成缝效果,最佳的后爆孔孔距为70cm。科学地采用时序控制预裂爆破不仅可以减小钻孔工作量与炸药用量,还能降低对岩体的损伤,可为地下厂房爆破开挖安全、高效的进行提供一条有效的途径。     

水火箭运动的理论研究

通过理论推导和数值计算对水火箭的运动进行了研究, 主要讨论了水火箭运动过程特征以及初始装 水量对喷水时间、 最大速度和最大高度的影响. 研究结果有助于水火箭的设计以及获得最大发射高度     

高温条件下热固性聚酰亚胺摩擦学性能研究

以3,3,4’,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、4,4’-二氨基二苯醚(4,4’-ODA)、3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)、4-苯乙炔苯酐(4-PEPA)为前驱体,设计并制备了热固性聚酰亚胺.采用球盘式高温摩擦磨损试验机进行室温(25℃)、100、200、250、300和350℃条件下的滑动摩擦磨损试验.通过表征不同温度磨损后的材料和对偶表面形貌,研究了其高温条件下的摩擦行为和磨损机制.结果表明:随着环境温度的升高,热固性聚酰亚胺的磨损率呈现先升高,后降低再升高的趋势;而摩擦系数却一直降低.这种趋势归结于聚合物接触表面机械性能的改变.不同温度条件下的磨损机理也是不同的,25和100℃条件下的磨损主要为疲劳磨损和磨粒磨损;随着环境温度升高到200℃时,磨损表面部分链段易于剪切,形成一层均匀的转移膜而降低了磨粒磨损;当温度升高至250、300以及350℃时,磨损表面的分子链段运动更加剧烈,在试验载荷持续挤压下,分子链间作用力破坏而剥落,磨损率急剧升高,表现为黏着磨损,并且环境温度越高,磨损率越大.