2014年  28卷  第6期

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研究论文
高压下ZnTe的电子结构和光电性质
胡永金, 何开华
2014, 28(6): 641-647. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.001
摘要:
应用第一性原理平面波赝势计算方法,研究了闪锌矿ZnTe晶体在外界压力下的电子结构和光电性质,并计算了介电函数和光学吸收系数随压力的变化情况。结果表明:在高压作用下,Te原子和Zn原子的态密度分布都向低能量方向移动,分布范围增大,Te 5p和Zn 3d电子轨道杂化变强。随着压力的增大,直接带隙逐渐增大,而间接带隙逐渐变小。当压力为10.7 GPa时,能带结构从直接带隙转变为间接带隙结构。压力增大,有利于Te 5p与Zn 3d电子间的跃迁,光吸收系数增大,产生更多的电子-空穴对,材料导电能力增强。
非饱和黏土平板撞击实验及状态方程的研究
丁育青, 汤文辉, 张若棋, 冉宪文, 张明建
2014, 28(6): 648-654. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.002
摘要:
利用口径为24 mm的二级轻气炮实验装置,结合磁测速和光纤探针动态测试技术,分别对含水率为0、8%和15%的3种非饱和黏土试样进行了平板撞击实验,试样的压力峰值区间为1.29~32.54 GPa。实验结果表明,含水率对非饱和黏土的冲击压缩特性影响明显。当非饱和黏土受到冲击压缩时,孔隙被进一步压实,滞留在黏土孔隙中的水和空气来不及排出,从而与黏土中的固体颗粒一起,共同支配非饱和黏土的冲击压缩特性;而由于水的相对不可压缩性,导致黏土的可压缩性随着含水率的升高而下降。提出一种修正的三相混合物状态方程,对3种含水率试样的压力-密度曲线进行了拟合,结果表明,该状态方程能够较好地描述不同含水率非饱和黏土的压力-密度关系。
弹丸爆炸驱动过程中层裂控制的研究
胡秋实, 赵锋
2014, 28(6): 655-663. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.003
摘要:
在弹丸爆炸驱动过程中,对厚度大于一定尺寸的弹丸,为降低弹丸内部负压以避免其层裂,通常对弹丸前端进行封装。研究发现,在爆炸产生的加载脉冲下,封装后的弹丸可能产生两次负压。一次负压的产生仅与选择的封装材料有关,二次负压的产生同时还与封装材料的厚度有关。通过理论推导得到了在给定弹丸材料和封装材料的情况下,为使弹丸不产生一次负压,加载冲击波和卸载稀疏波波后压力应满足的临界条件;同时导出了一次负压为零时,在弹丸不产生二次负压的条件下,封装材料厚度的临界值。采用AUTODYN有限元软件,对钢、铝弹丸封装材料不同的情况进行数值模拟,验证理论解的正确性;另外还对比研究了三角形冲击波加载的情况。研究结果可为弹丸爆炸驱动过程中封装材料的设计提供参考。
碎片云超高速撞击声发射信号特征分析
庞宝君, 张凯, 林敏, 刘源
2014, 28(6): 664-670. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.004
摘要:
为了掌握带防护屏的航天器结构受空间碎片超高速撞击时的声发射信号特征,利用二级轻气炮发射球形弹丸撞击铝合金双层板结构,获取了碎片云撞击铝合金板舱壁产生的声发射信号,并利用小波包技术和能量熵理论对信号进行了分析。实验结果表明:弹丸初始速度、防护屏厚度及弹丸直径是决定二次碎片云形态及声发射信号特征的重要因素;在本实验工况范围内,小波包能量熵值能够描述声发射信号频率的复杂程度;当弹丸初始速度处于破碎段(3~7 km/s)时,随着初始速度的增大,二次碎片云进一步细化,撞击产生的声发射信号幅值趋于减小、频率成分趋于复杂化,其小波包能量熵值逐渐增大;防护屏厚度对声发射信号的小波包能量熵值影响较大,弹丸直径对其影响较小。研究结果有助于实现对碎片云撞击舱壁结构的损伤模式识别。
气-液-固三相体系云雾爆轰特性的实验研究
王海洋, 解立峰, 饶国宁, 孙晓雄
2014, 28(6): 671-679. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.005
摘要:
在内径为0.2 m、高5.4 m的大型立式激波管内,同时对液体燃料和黑索金(RDX)粉末进行抛撒,采用底部直接起爆,得到了RDX-液体燃料-空气三相体系的爆压和爆速,利用烟熏技术得到了爆轰波的胞格结构、尺寸及长宽比。结果表明:90#溶剂油-空气两相体系的平均爆压为5~6 MPa,可以将其作为燃料-空气炸药的主燃料;向该燃料中添加硝酸异丙酯(IPN)可以降低其临界起爆能,添加RDX能够提高体系的爆速和爆压。此外,通过理论分析结合实验验证得出,多相爆轰的临界起爆能和爆轰胞格尺寸之间存在与气相爆轰类似的关系。
静电场中多孔PZT95/5铁电陶瓷的通道电-机械击穿模型及分析
蒋一萱, 王省哲, 贺红亮
2014, 28(6): 680-685. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.006
摘要:
作为爆电电源的多孔PZT95/5铁电陶瓷具有极为重要的工程应用背景,但它在强电场作用下易发生电击穿失效,从而影响其放电效率,甚至造成电源失效。基于多孔PZT95/5铁电陶瓷材料在外电场作用下内部形成导电通道以致电失效的机制,通过通道内部局部放电及通道电-机械击穿机理,建立了导电通道诱导的多孔铁电陶瓷的电击穿模型并进行了相关的理论分析。基于本模型,给出了不同孔隙率下铁电陶瓷的电击穿临界电场强度,预测结果与实验测试结果吻合良好,且材料孔隙率越大,内部电击穿通道的特征尺寸越大,导致铁电陶瓷材料的电击穿临界场强显著降低。
超高压碳化钨顶砧新结构的设计与研究
韩奇钢, 班庆初, 易政, 陈梦露, 仲济伦, 杨文珂, 张强
2014, 28(6): 686-690. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.007
摘要:
基于高压顶砧设计原理大质量支撑原理,借助有限元仿真技术,开展了一体式超高压碳化钨顶砧新结构的设计与研究工作。研究结果表明,采用圆角技术以及凹形支撑区技术,设计出的新结构顶砧能够降低传统碳化钨顶砧拐角处的应力集中效应,同时为碳化钨顶砧提供足够的侧向支撑作用,从而大幅提高顶砧的性能;一体式超高压碳化钨顶砧的传压效率较传统顶砧升高58.5%、破裂几率较传统顶砧降低33%、获得的极限腔体压力较传统顶砧升高44.2%,达到9.56 GPa。为大腔体、超高压环境下物质新结构与性质研究、新型功能材料的设计与合成研究提供了一种易于操作的可行性方案。
MgO单晶冲击变形产生点缺陷吸收谱的实时测量
薛桃, 周显明, 李加波, 曾小龙, 叶素华, 黄金, 李俊, 戴诚达
2014, 28(6): 691-698. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.008
摘要:
为研究冲击塑性变形产生的缺陷对MgO单晶透明性的影响,采用40通道(波长)纳秒时间分辨高温计和冲击波原位光源技术,对在一维应变冲击加载下MgO单晶的透射谱进行了实验测量。冲击波加载方向垂直于样品(100)晶面,测谱范围为400~800 nm,得到了2个压力点(约50 GPa和约70 GPa)的吸收系数随波长的变化曲线,从实测曲线发现了6个明显的特征吸收峰,其中心波长分别为410、460、490、520、580和660 nm。通过对比分析,确定出410、460、490和580 nm处的吸收峰为F聚心吸收,520 nm处的吸收峰为V-心吸收,而660 nm处的吸收峰则可能为与填隙原子相关的吸收。这是在冲击压缩条件下,首次实时观测到的MgO单晶样品冲击塑性变形产生的点缺陷色心吸收现象。
在直角坐标系用NGFM模拟复杂计算域水下高压气泡膨胀问题
史汝超, 张亚军, 徐胜利
2014, 28(6): 699-704. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.009
摘要:
采用NGFM(New version of Ghost Fluid Method)处理复杂计算域的固壁边界,用RGFM(Real Ghost Fluid Method)求解气-水界面附近网格节点的状态参数,从而在直角坐标系下对复杂计算域的水下高压气泡膨胀问题进行数值模拟。流场控制方程选用Euler方程,用五阶WENO格式离散空间导数项,二阶Runge-Kutta法离散时间导数项;气-水界面追踪使用Level Set方法,对Level Set方程,用五阶HJ-WENO(Hamilton-Jacobi WENO)和三阶Runge-Kutta法求解。将计算结果与任意坐标系下的结果进行对比,验证了NGFM在笛卡尔网格中处理复杂形状固壁边界的可行性。得到了水下流场压力等值线图、高压气泡的演变过程以及特定点处的压力-时间曲线。计算结果表明,高压气泡在固壁反射激波的作用下,膨胀过程受到抑制;强激波在固壁的反射会导致固壁附近出现大范围的空化流动。
电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究
王刚华, 王桂吉, 阚明先, 张红平, 孙承纬, 赵剑衡, 谭福利
2014, 28(6): 705-708. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.010
摘要:
在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50 GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5 GPa。
PELE弹丸壳体的损伤断裂模型
梁民族, 李翔宇, 覃金贵, 卢芳云, 王马法
2014, 28(6): 709-715. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.011
摘要:
结合横向效应增强型侵彻体(PELE)侵彻金属靶板的数值模拟结果和实验结果,将PELE弹丸壳体膨胀断裂过程分为加速膨胀和匀速膨胀两个阶段。在封加波提出的损伤度模型的基础上,推导得到PELE弹丸壳体的损伤断裂方程;并通过PELE壳体断裂实例计算了PELE弹丸壳体膨胀断裂过程的参数,分析了弹丸着靶速度与壳体断裂之间的关系,为PELE弹丸设计提供了理论指导。
谱元法数值模拟约束结构内炸药中应力波的传播
黄彬彬, 张旭, 谭多望
2014, 28(6): 716-722. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.012
摘要:
针对高速侵彻类战斗部在侵彻过程中的装药安定性以及在意外事故中的安全性问题,对约束结构内炸药在冲击加载下的应力波传播规律进行了模拟研究。计算了不同侵彻速度下弹体的冲击响应函数,并将具有高精度和低耗散特点的谱元法应用于约束结构内凝聚炸药中的应力波传播模拟;考虑炸药-金属界面的动摩擦特性,计算了冲击加载下由动摩擦引起的装药-壳体界面温升,以及装药内部的塑性功积累。成功地将谱元法应用于凝聚炸药中应力波传播过程的模拟,模拟结果对更准确地评估热点生成机制,以及进行装药安定性分析具有参考意义。
爆炸冲击波作用下预制孔靶板塑性变形规律的研究
蒋建伟, 侯俊亮, 门建兵, 王树有
2014, 28(6): 723-728. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.013
摘要:
利用非线性动力学软件AUTODYN,对爆炸冲击波作用下无孔及预制孔靶板的塑性变形进行了数值模拟,获得了不同孔数、孔径情况下靶板中心点挠度的变化规律;设计了模型实验,其结果与数值结果符合较好;并以爆炸冲击波作用下无孔靶板中心点挠度计算公式和数值计算结果为基础,通过拟合给出了预制孔靶板中心点挠度与孔密度、孔径之间的函数关系,该关系可为有孔平板目标的毁伤评估及破片、冲击波对平板目标联合毁伤研究提供参考。
气相爆炸流场中TiO2纳米颗粒生长的数值分析初探
陈天梧, 罗宁, 闫鸿浩, 刘凯欣
2014, 28(6): 729-735. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.014
摘要:
气相爆炸制备TiO2纳米颗粒的实验成果在近年来多有报道,但对颗粒成长的模拟尚不多见。引入一种气溶胶的单分散性物理模型(Kruis模型),将其应用于气相爆炸流场中TiO2纳米颗粒生长的数值模拟,结合气相爆炸制备实验进行对比分析。结果表明,通过控制前驱体反应组分,气相爆轰合成了直径范围为20~150 nm的球形TiO2纳米颗粒。数值模拟得到的颗粒大小与实验观测结果基本一致。影响纳米颗粒生长的主要因素包括反应温度、颗粒浓度及反应时间。
高压和酶解对热变性大米蛋白溶解及结构特征的影响
王章存, 崔胜文, 罗双群, 赵学伟, 郑坚强, 李昌文, 袁道强
2014, 28(6): 736-742. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.015
摘要:
研究了100 MPa高压和酶解处理对热变性大米蛋白溶解性和分子结构特征的影响。结果显示:高压处理后再用Alcalase(碱性蛋白酶)酶解可使大米蛋白的溶解性由单纯酶解时的58.9%提高到75.33%;SE-HPLC(高效液相凝胶色谱法)分析显示,高压处理可使57~105 ku的大分子蛋白质溶出,且随着酶解时间延长,该组分消失,4.4和2.0 ku组分含量增加,而非高压处理者没有大分子的溶解;FTIR(傅里叶红外光谱)分析显示,高压处理的样品中-折叠和-转角结构占主导地位;SEM(扫描电子显微镜)分析表明,高压处理使致密的大米蛋白体结构变得疏松。以上结果表明,高压处理改变了蛋白的空间结构,进而改变蛋白的酶解位点,从而提高了大米蛋白的溶解性。
水分对高静压处理不同类型淀粉微观结构的影响
包亚莉, 周海宇, 任瑞林, 刘培玲, 宁红梅, 王晓兰, 李彦杰
2014, 28(6): 743-752. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.016
摘要:
利用高静压(HHP)作为物理变性方法处理糯玉米淀粉和木薯淀粉,考察水分含量对不同类型淀粉的糊化及重结晶的影响。用偏光显微镜、扫描电子显微镜观测HHP处理后淀粉颗粒的形态变化,利用激光粒度分析仪记录淀粉颗粒的粒度分布及变化规律,结合X射线衍射曲线及低场核磁共振图谱,分析淀粉颗粒内水分的结合方式及程度。结果表明:当粉水比(淀粉质量和水质量之比)为3/10~5/10时,在HHP处理下,两种淀粉均发生结晶解体和溶胀现象。糯玉米淀粉的重结晶程度顺序为4/10粉水比>3/10粉水比>5/10粉水比;木薯淀粉颗粒结晶结构完全消失,结晶破坏的程度是3/10粉水比>4/10粉水比>5/10粉水比。随着水分含量增大,糯玉米淀粉及木薯淀粉的粒度逐渐增大。干燥后淀粉中的水分主要以结合水的形式存在,且水分参与结晶结构的形成。
高压二氧化碳对桃果胶甲基酯酶活性的钝化效果与动力学研究
周林燕, 廖小军, 曹霞敏, 刘凤霞, 毕秀芳, 易建勇, 李淑荣
2014, 28(6): 753-761. doi: 10.11858/gywlxb.2014.06.017
摘要:
采用高压二氧化碳技术(High Pressure Carbon Dioxide,HPCD)处理桃果胶甲基酯酶(Pectin Methylesterase,PME)粗酶液,分析了HPCD对粗酶液中PME的钝化效果及动力学,进一步比较了粗酶液和桃汁两种体系中PME对HPCD的敏感性。HPCD对粗酶液中PME具有较好的钝化效果,处理温度和压力的共同作用导致了PME活性降低,钝化动力学遵从一级动力学模型。随着处理压力和温度的提高,钝化速率逐渐增大,而指数递减时间则逐渐减小;在最优的处理条件(22 MPa、55 ℃)下,HPCD钝酶的钝化速率和指数递减时间分别为0.408 8 min-1和5.63 min。温度为55 ℃时HPCD钝酶的压力敏感指数为16.40 MPa,活化体积为-383.00 cm3/mol;压强为15 MPa时HPCD钝酶的温度敏感指数为 13.30 ℃,活化能为1 845.86 kJ/mol。比较HPCD对桃汁和粗酶液中PME的钝化效果,发现HPCD处理16 min后(15 MPa、55 ℃),桃汁中PME残存酶活在80%左右,而粗酶液中PME活性已完全钝化,表明桃汁体系中存在保护PME活性的因素,有关机制需要进一步研究。