2021年  35卷  第3期

封面
2021-03期封面
2021, 35(3): 0-0.
摘要:
目录
2021-03期目录
2021, (3): 1-2.
摘要:
高压前沿评论
二维材料及其范德瓦尔斯异质结的高压响应研究进展
裴胜海, 邓晴阳, 王曾晖, 夏娟
2021, 35(3): 030101. doi: 10.11858/gywlxb.20210741
摘要:
高压技术是一种高效、连续、可逆的调控材料结构、电学、光学等物理特性的手段,因此利用压强工程在材料中实现超导态、制备超硬材料等成为高压领域的研究热点。不同于传统的三维体相材料,二维材料及其异质结中独特的层间耦合作用使其具有许多不同于传统材料的物理特性,且这些物理特性极易受到外场影响和调控,使得高压物理成功地拓展到低维材料领域。本文以石墨烯、黑磷、六方氮化硼和过渡金属二硫族化合物等几种典型的二维材料及其异质结为例,概述了二维材料及异质结在高压调控下的结构、电学、声子动力学、光学等方面的响应,并简要讨论这些高压调控下的二维材料在未来电子、光电器件等领域应用的潜力。
高压物性与结构
磷石膏高温高压实验及其改性
周登峰, 单双明, 杨瑞东, 罗朝坤, 倪莘然, 汪龙波
2021, 35(3): 031101. doi: 10.11858/gywlxb.20200656
摘要:
以磷石膏高温高压实验及其改性处理为重点研究内容,探讨了高温高压条件对磷石膏单一体系和磷石膏复合体系的影响。通过控制高温高压实验条件,探究不同磷石膏体系在300 ℃、300 MPa的温压条件下的晶体形貌及矿物组成。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对合成样品的物相和形貌进行分析。XRD表征结果表明,在高温高压条件下,不同磷石膏体系的矿物种类及含量发生了明显变化,具体表现为:磷石膏-生石灰复合体系经高温高压实验后,其SiO2含量低于检测限;磷石膏-硅藻土复合体系经高温高压实验后,其矿物由二水石膏全部转化为无水石膏。SEM表征结果显示:在磷石膏单一体系、磷石膏-生石灰复合体系、磷石膏-硅灰复合体系、磷石膏-水泥复合体系中,磷石膏晶体在高温高压下可在反应釜内自发生长结晶,形貌规整且分散均匀,晶形大多呈四棱柱状,晶体表面光滑,且出现团聚现象。磷石膏-硅藻土复合体系在高温高压条件下生成大量的硫酸钙晶须,其形貌规整、分散均匀,平均直径为 2.61 μm,平均长径比约为8。
花岗岩粗糙表面动摩擦形态演化
张磊, 王文帅, 苗春贺, 单俊芳, 王鹏飞, 徐松林
2021, 35(3): 031201. doi: 10.11858/gywlxb.20200640
摘要:
冲击过程中岩石界面动摩擦特性对于地震滑移等现象的研究有重要意义。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)杆束技术对含倾斜界面的花岗岩进行冲击实验,分别采用光学显微镜和台阶仪,观测较大视场(毫米尺度)和较小视场(亚毫米尺度)下花岗岩界面粗糙形态。结果表明:微动滑移条件下,表面仍非常粗糙,没有大的凸起,但是对于局部初始较平滑的表面,冲击后由于表面的摩擦作用变得粗糙,很难观察到大位移滑移时的光滑滑移面。采用斜条型有限子群表示,结合微界面相对滑移磨损扩散的控制方程,建立岩石界面粗糙形态动力学演化的描述方法。初步结果验证了此方法的可行性,但需要结合深入的实验观测进行完善。研究结果对界面动摩擦演化过程及其机制的认识具有良好的参考意义。
FOX-7 在αβ相变过程中的特性
顾晓飞, 樊思琪, 李如江, 李洪珍
2021, 35(3): 031301. doi: 10.11858/gywlxb.20200653
摘要:
为了解新型高能低感炸药FOX-7的αβ相变具体过程,采用扫描电子显微镜、在线热台仪和显微共聚焦拉曼测试等方法,从晶体的宏观结构和微结构角度详细研究了αβ相变过程中晶体的变化情况,探究了升温速率、晶体形貌和晶体缺陷等不同因素对相变的影响。结果表明:在αβ相变过程中,相变是从晶体的某一缺陷处开始逐步扩散至整个晶体;晶体尺寸、升温速率和晶体形貌对相变有不同程度的影响,晶体尺寸越大、升温速率越慢、晶体外形呈块状时相对更易于发生相变,但差异并不明显;晶体发生相变后经常会出现裂纹、破碎、透明度降低等现象。采用多巴胺原位聚合包覆FOX-7晶体可以在一定程度上延缓αβ相变的发生。
高压理论与计算
FeO2与FeO2He晶格热导率与声速特征的第一性原理研究
吴潇, 马阳阳, 杨述, 何开华, 姬广富
2021, 35(3): 032201. doi: 10.11858/gywlxb.20200659
摘要:
高温高压实验研究发现了一种新型铁氧化物FeO2,其可以稳定地存在于地球内部。理论研究表明,FeO2可以与He在高温高压下发生反应,形成FeO2He,借此解释了地球内部He的赋存机制。采用第一性原理方法,对比研究了FeO2和FeO2He两种矿物在下地幔条件下的晶格热导率和声速特征。计算结果表明,FeO2He的晶格热导率比FeO2的晶格热导率高很多,并且其随压力的变化也比FeO2大。两种矿物的晶格热导率与温度的变化关系都接近T −1,与传统半导体的结论一致。分析表明,两种矿物的群速度差异较小,对晶格热导率的影响有限;两种矿物的非谐散射率有较大的差异,是导致两者晶格热导率差异的主要原因。FeO2He的剪切和压缩波波速都比FeO2大一些,但两者的波速都比下地幔主要矿物钙钛矿的波速小,符合D″层超低声速的特征。
高压下新型双“A”层MAX相V2Ga2C 的密度泛函理论研究
王腾飞, 李小雷, 李露, 李东, 王军凯
2021, 35(3): 032202. doi: 10.11858/gywlxb.20200658
摘要:
基于密度泛函理论的第一性原理,研究了压强对双“A”层MAX相V2Ga2C晶体结构、弹性和电子性质的影响,并利用玻恩稳定准则预测了V2Ga2C力学稳定状态下的压强范围。计算结果表明:在0~70 GPa下,V2Ga2C的晶体结构处于力学稳定状态;随着压强的增大,V2Ga2C的晶格常数和体积均有不同程度的缩小,a轴随压强的增大收缩得最快,晶胞体积收缩了24%左右;随着压强的增加,V2Ga2C材料的维氏硬度从0 GPa压强下的18.23 GPa减小为70 GPa压强下的2.30 GPa,在20.15 GPa时从脆性材料转变为韧性材料;V2Ga2C的态密度和能带结构等电子性质随压强的变化较小,即压强对V2Ga2C的电子性质影响不大。
圆柱装药近地空爆冲击波峰值超压空间转换模型
郗洪柱, 孔德仁, 乐贵高, 史青, 彭泳卿
2021, 35(3): 032301. doi: 10.11858/gywlxb.20200652
摘要:
为研究近地空爆冲击波峰值超压空间数值关系,基于镜像法、角等分和超压归一化思想,确定了冲击波空间传播界线,建立了混合流场中超压的理论计算方法。首先,利用三波点轨迹与爆高水平线交点、虚拟爆源、真实爆心三者连线构成的几何约束以及马赫反射终点条件,确定了冲击波流场分布界限。其次,等分测点角度,并基于超压归一化值分段线性假设构建归一化值方程。然后将归一化值方程扩展为圆柱装药长径比、爆高、当量、测点角度和比例距离的函数。最后,基于控制变量法,利用符合经验公式和实爆结果的圆柱装药近地空爆AUTODYN-2D数值模型的计算结果代入上述函数求解。结果表明:以长径比、比例爆高、比例距离和测点角度为输入参数的峰值超压空间转换模型可描述圆柱装药近地空爆峰值超压的空间数值关系,转换效果良好。
高压技术
预加热效果对磁化套筒惯性聚变放能影响的模拟研究
赵海龙, 王强, 阚明先, 谢龙
2021, 35(3): 033301. doi: 10.11858/gywlxb.20200661
摘要:
得益于预加热和轴向磁场的作用,理论上磁化套筒惯性聚变(MagLIF)构型能有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。然而,当前研究过于重视对激光能量沉积效率的提升,而忽略了预加热自身参数对MagLIF过程和内爆结果的影响。为此,采用一维集成化数值模拟程序MIST,开展了MagLIF过程中预加热效果对聚变放能影响的模拟研究,基于参数扫描方法,从简单的模型着手,逐步深入探讨相关参数对内爆结果的影响。模拟结果表明:预加热是MagLIF构型能够成功的必要条件,最佳时间是套筒即将开始向内压缩燃料的时刻;燃料预加热的设计原则是让燃料获得尽可能平缓分布的高温,而中心局部加热方式对于未能达到点火条件的负载更有优势;激光预加热模式下,脉宽越短越好,对于以ZR装置驱动能力为目标的算例而言,最佳套筒高度为1.0 cm。研究结果有助于加深对MagLIF过程中预加热机制和效果的认知和理解,对于具体的负载参数设计也有较强的指导意义。
高压下物质的动态响应
聚氯乙烯弹性体动态拉伸力学性能实验研究
雷经发, 宣言, 刘涛, 姜锡权, 段飞亚, 魏展
2021, 35(3): 034101. doi: 10.11858/gywlxb.20200627
摘要:
为研究软质高分子聚合物材料的静、动态拉伸力学性能,利用Instron-5943万能材料试验机和改进型分离式霍普金森拉杆(SHTB)实验装置对聚氯乙烯(PVC)弹性体材料进行了静、动态拉伸实验,得到了该材料在应变率为0.1 s−1及400~1850 s−1下的应力-应变曲线。动态拉伸实验过程中,联合波形图分析和高速摄像方法对试样连接方式和胶黏剂进行了优选,通过脉冲整形器延缓入射波上升沿以实现恒应变率加载,调整入射杆与吸收杆间空隙解决了入射波基线偏离问题。结果表明:PVC弹性体在准静态(0.1 s−1)拉伸载荷下具有明显的线弹性特征,在动态(400~1850 s−1)拉伸载荷下具有一定的黏性特征。构建了朱-王-唐(ZWT)非线性黏弹性本构模型以表征PVC弹性体材料的黏弹性力学特征,实验与模型拟合结果较吻合。
3D打印梯度Gyroid结构的动态冲击响应
厉雪, 肖李军, 宋卫东
2021, 35(3): 034201. doi: 10.11858/gywlxb.20210701
摘要:
利用ANSYS/LS-DYNA对均匀及梯度Gyroid结构进行准静态与动态压缩数值模拟,分析其应力分布、变形模式、承载能力以及吸能特性。对3D打印的316L不锈钢试样实施了单轴拉伸实验,获取了相应的材料参数,建立了Gyroid结构有限元模型,进而对其动态力学响应进行了数值仿真。结果表明:均匀结构呈现出较均匀的变形模式,梯度结构为低密度端向高密度端传播的逐层变形模式;两种结构均呈现明显的应变率敏感性,且负梯度结构的应变率敏感性最明显;在相同的加载速度下,负梯度结构的吸能效率最高,且具有最低的支撑端应力,是最佳的防护结构。研究结果可为冲击载荷下防护结构的设计选型提供参考。
新型薄壁管耐撞性分析及优化设计
尹华伟, 王陈凌, 段金曦, 刘利民
2021, 35(3): 034202. doi: 10.11858/gywlxb.20200624
摘要:
采用LS-DYNA仿真软件对新型薄壁管在轴向冲击荷载作用下进行了数值模拟,分析了上端薄壁圆管长度和波纹型诱导槽半径对其耐撞性及变形模式的影响,并与普通薄壁圆管进行比较。结果表明:当上端薄壁圆管长度及波纹形诱导槽半径设计合理时,新型薄壁管在压溃阶段的最大峰值压溃力、比吸能以及变形模式相比于普通薄壁圆管更优异。为了获得更好吸能效果的新型薄壁管,以其比吸能和最大峰值压溃力为优化指标,以上端薄壁圆管长度和波纹形诱导槽半径为动态变量,建立了新型薄壁管多目标优化方案。基于Kriging法构造了目标近似函数,同时结合NSGA-Ⅱ算法求解了多目标优化问题。
防弹衣抗小钨球侵彻性能的数值模拟
唐昌州, 智小琦, 郝春杰, 范兴华
2021, 35(3): 034203. doi: 10.11858/gywlxb.20210715
摘要:
为研究防弹衣抗小钨球侵彻的性能,结合试验,利用有限元分析软件LS-DYNA建立了小钨球侵彻防弹衣的数值模型。在此基础上,对侵彻过程进行了数值模拟,分析了防弹衣的破坏机理,并探讨了凯夫拉(Kevlar)与超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE)混杂配比对防弹衣抗侵彻性能的影响。研究结果表明:在小钨球侵彻作用下,防弹衣迎弹面主要发生纤维剪切破坏,背弹面主要发生纤维拉伸断裂破坏,并伴随着一定的层间分层破坏。随着着靶速度的提高,纤维的拉伸及分层破坏程度降低;与单一Kevlar制作的防弹衣相比,采用面板Kevlar、背板UHMWPE混杂结构的防弹衣抗侵彻性能更好。当Kevlar/UHMWPE的体积配比分别为1∶1、1∶2和1∶4时,防弹衣的抗侵彻性能分别提高3.7%、5.3%和4.4%,质量分别减少14.1%、18.8%和22.5%。综合考虑防弹衣的抗侵彻性能和重量,采用Kevlar/UHMWPE混杂配比为1∶2的防弹衣结构最佳;在弹道极限附近,采用Kevlar/UHMWPE混杂结构的防弹衣的吸能效果优于单一Kevlar结构,且随着着靶速度的提高,两者的吸能差异逐渐减小。研究结果对防护装备的优化设计具有一定的参考价值。
半球头和平头试件的泰勒撞击
黄魏银, 陈刚, 李俊承, 张方举
2021, 35(3): 034204. doi: 10.11858/gywlxb.20200643
摘要:
为研究不同头型对泰勒(Taylor)撞击载荷的影响,在材料静动态力学性能实验和Taylor撞击实验的基础上进行数值模拟,分析试件在撞击过程中的接触力、速度和外形尺寸等参量的变化历程。结果表明:在相同的撞击速度下,半球头试件的塑性变形程度更大;半球头试件的撞击载荷上升沿变缓,载荷脉冲时间增长,而两种试件的载荷平台段幅值相当。根据实验和数值模拟结果,进一步分析了霍普金森杆测试Taylor撞击载荷历程的适用性。
含有断裂缺陷的复合材料壳体的力学行为
柏慧, 惠虎, 杨斌, 孔芳
2021, 35(3): 034205. doi: 10.11858/gywlxb.20200649
摘要:
利用湿法缠绕制备了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料壳体,通过拉伸、双悬臂梁和三点端部开口弯曲试验对该复合材料层合板进行基本力学性能评估,得到强度和刚度参数并用于有限元模拟中。同时,在Abaqus中建立了含有不同深度断裂缺陷复合材料壳体的三维渐进损伤有限元模型,预测内压作用下壳体的力学响应。试验和模拟结果表明:复合材料主向拉伸强度为(222.7 ± 18)MPa,弹性模量为39.39 GPa,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性层间强度分别为(4.67 ± 0.24)和(4.98 ± 0.26)kJ/m2。随着内压增大,Mises应力也不断增大;当断裂缺陷在最深层(接近内压的第一层,深度为18 mm)时,Mises应力最大;当内压为0.3 MPa时,Mises应力高达28.8 MPa,且周向应变小于纵向应变。
高压科学应用
Cu-Ni-Al和Cu聚能射流侵彻后钢靶的毁伤特征
张超霞, 刘迎彬, 胡晓艳, 张增, 薛瑞峰, 杨丽, 袁磊
2021, 35(3): 035101. doi: 10.11858/gywlxb.20200651
摘要:
为了对比分析Cu-Ni-Al反应聚能射流和惰性Cu聚能射流对45钢靶的宏观侵彻特性和靶板的微观组织特征,分别进行了Cu-Ni-Al和Cu药型罩的侵彻实验,并利用光学显微镜、扫描电镜、能量色散光谱仪和Vickers显微硬度测量系统对回收钢靶进行表征。实验结果表明:Cu-Ni-Al反应射流对45钢的穿深与Cu射流相比明显降低,但其平均入口孔径提高了33.3%。两种聚能射流侵彻作用下钢靶中均存在残余射流区、白色区(马氏体和奥氏体的混合物)和变形区。与Cu射流相比,Cu-Ni-Al反应射流孔壁残余射流区的硬度值提高了34 MPa,孔壁尾部白色区的硬度值增加了95 MPa,其孔壁头部白色区的硬度值降低了28 MPa。两种聚能射流孔壁尾部白色区的硬度值均高于头部。研究结果可为评估反应材料药型罩聚能装药战斗部的毁伤效应提供一定的参考。
缓释结构对B炸药烤燃响应烈度的影响
徐瑞, 智小琦, 王帅
2021, 35(3): 035201. doi: 10.11858/gywlxb.20200657
摘要:
为了研究装药在缓释结构作用下的响应特性,设计了弹药烤燃系统及弹体泄压装置,分析了B炸药在热刺激作用下泄压装置对响应烈度的影响,得到了B炸药在泄压结构作用下的升温曲线与响应结果。结果表明,无泄压孔时,装药的响应等级为爆轰反应,装药的响应温度较低,响应时间较短。泄压孔面积为装药面积的2.0%时,装药的响应等级为爆轰反应;泄压孔面积为装药面积的2.5%和3.5%时,装药的响应等级均为燃烧。弹药临近响应时刻冲开泄压孔,降低了炸药内部温度,延长了响应时间。通过数值模拟得到了装药内部温度的分布情况,响应时刻炸药温度呈层状分布,炸药响应点位于炸药顶部。RDX的分解放热是B炸药点火的主要原因。弹药泄压结构可以有效降低弹药响应的剧烈程度,提高装药的热安全性。
基于能量原理的岩爆倾向性判据
孙飞跃, 范俊奇, 郭佳奇, 石晓燕, 刘希亮, 朱斌忠, 张恒源
2021, 35(3): 035202. doi: 10.11858/gywlxb.20200650
摘要:
岩爆判据是岩爆研究中最关键的科学问题之一,也是预测岩爆发生与否的关键。首先基于能量原理,以岩石强度与整体破坏准则为基准,建立了岩体单元受压与受拉时的岩爆烈度分级评价系统;然后采用已有的经典岩爆判据和新提出的岩爆倾向性判据,对国内部分典型岩爆工程实例进行了准确性和适用性检验;最后以锦屏Ⅱ级水电站4#引水隧洞为依托,通过FISH语言编程对3DEC数值模拟软件进行了二次开发,对三维应力条件下深地下工程岩爆地质灾害孕育机制与演化规律进行了模拟分析。结果表明:该判据全面考虑了围岩单元体受力的各种状态,反映了岩爆孕育发生过程的完整性因素、力学因素、脆性因素与储能因素;针对无、轻微、中等及强烈岩爆4个级别,提出了3个分级阈值(2、11和110);基于能量原理的岩爆倾向性判据对典型岩爆案例进行预测评估,结果与岩爆发生实际情况基本一致,具有良好的有效性和工程适用性。研究成果可为准确预测深部地下工程岩爆的倾向性提供一种新的思路。
高压CO2水合物的生成机理实验和模拟
曹学文, 杨凯然, 杨健, 唐国祥, 边江
2021, 35(3): 035301. doi: 10.11858/gywlxb.20200632
摘要:
温室气体CO2的捕捉和储存对减缓温室效应具有重大意义。CO2水合物法储存CO2具有效率高、储量大、易运输等优点。为了更高效制备CO2水合物,对其生成机理进行实验和模拟研究。通过建立水合物生成的热力学模型,对水合物生成条件进行预测,利用高压静态釜式反应容器开展水合物生成实验,通过温度压力数据验证模型的准确性。在选取化学势能差作为水合物生成驱动力的基础上建立气体消耗速率模型,并与实验结果对比,结果表明:模型的预测值与实验值相对吻合。在低于水合物相平衡温度的条件下,升高容器的内反应压力可以促进气-液质量交换过程,提高生成效率。在生成过程中测得不同位置的电阻率变化数据,发现容器内的电阻率随固态水合物的生成而升高,并且首先在容器上部靠近壁面处结晶、团聚。
轴向压缩下圆柱形动力锂离子电池的性能
李梦, 柳小伟, 张舒, 宋辉, 王根伟, 王彬
2021, 35(3): 035302. doi: 10.11858/gywlxb.20200647
摘要:
动力电池的安全问题制约了电动汽车的推广和发展,轴向压缩是锂离子电池的一种重要的破坏工况。通过实验方法,研究了18650锂离子电池在轴向压缩载荷下的安全性能,探讨了荷电状态分别为60%、80%、100%时电池的载荷、电压、温度的变化特征,分析了轴向压缩载荷下电池的失效过程。研究表明:轴向压缩过程中电压均出现特有的台阶式下降,极限载荷和温度骤升几乎同时发生;电池正极的凹槽结构诱导电池在靠近正极的侧面破裂。对比轴向压缩实验和径向平板压缩实验发现,动力电池轴向压缩热失控程度弱于径向平板压缩。
超高压处理优化藜麦蛋白的乳化性能
乜世成, 张炜, 田格, 王志娟, 甘文梅, 高红
2021, 35(3): 035901. doi: 10.11858/gywlxb.20200645
摘要:
利用超高压处理藜麦蛋白,研究超高压保压压力、超高压保压时间及蛋白质量分数对藜麦蛋白乳化性的影响。采用响应面法优化超高压处理条件,得到最佳工艺条件,并利用傅里叶红外光谱、粒度仪、X射线衍射(XRD)等表征方法分析乳液蛋白质的表面性质及结构特征。结果表明:保压压力为235 MPa、保压时间为5.2 min、蛋白质量分数为0.34%时,乳化指数为119 m2/g。同时,由傅里叶红外光谱分析蛋白二级结构可知,变性后藜麦蛋白的α-螺旋结构含量降低,β-转角结构含量增加,分子无序性增加,蛋白乳化性提高。XRD分析发现,改性后蛋白在2\begin{document}$\theta $\end{document} = 10°附近的峰强度明显减小,说明α-螺旋结构含量降低。改性后乳液蛋白粒度减小,其乳化性提升。因此,适当的超高压处理可以改善藜麦蛋白的乳化性。