当期目录

2019-02目录
2019, 33(2)
摘要:
优秀青年专辑
高压下正交相CsPbI3钙钛矿纳米棒的带隙调制
姜红梅, 曹晔, 杨松睿, 马志伟, 付瑞净, 石越, 肖冠军
2019, 33(2): 020101. doi: 10.11858/gywlxb.20190711
摘要:
全无机卤化物钙钛矿由于其稳定性强,且具有良好的光学性质,是一种很有前途的光电材料。然而,有效地设计其带隙以满足实际应用需求仍是亟待解决的关键问题。通过控制合成的反应时间和温度,对铯铅碘(CsPbI3)纳米材料进行形貌调控,合成出形貌均一、结晶性良好的棒状CsPbI3纳米材料。进一步利用金刚石对顶砧,结合原位高压紫外-可见吸收光谱,对CsPbI3纳米棒在高压下的带隙变化进行研究,发现高压下CsPbI3纳米棒的带隙减小,带隙的可调控性为纳米材料在光伏电池领域的应用奠定基础。研究结果不仅有助于在原子尺度上建立CsPbI3纳米棒的结构特性关系,而且为全无机钙钛矿纳米材料的实际应用提供重要线索。
Symmetrization and Chemical Precompression Effect of Hydrogen-Bonds in H2-H2O System
JIANG Shuqing, YANG Xue, WANG Yu, ZHANG Xiao, CHENG Peng
2019, 33(2): 020102. doi: 10.11858/gywlxb.20190730
摘要:
Hydrogen hydrate (H2-H2O) excited significant interest as an environmentally clean and efficient hydrogen storage material. Here we conducted a high-pressure experimental research on hydrogen hydrate combined with in-situ Raman spectroscopy and synchrotron X-ray diffraction measurements. Our results indicated that the cubic C2 phase with stoichiometry 1∶1 of H2 and H2O transformed to a new tetragonal phase C3 after packing more hydrogen molecules above 24.5 GPa. The structure of C3 was determined to be P41 with a 1∶2 ratio of H2O to H2, and could survive down to 8.6 GPa upon decompression. Two districted behaviors of guest hydrogen clusters were observed with increasing pressure. One showed blue-red frequency shift transition similarly as pure hydrogen, the other continuously blue-shifted to higher frequencies in the whole pressure range. Fermi resonance between the deformational mode and softened stretching mode was firstly detected, indicating that the hydrogen-bond was symmetrized at around 55 GPa. The complicated behaviors of hydrogen molecules and interactions with water molecules in hydrogen hydrate provided a different insight into the guest-host system under pressure.
金属性硅同素异形体的第一性原理研究
孙磊, 罗坤, 刘兵, 韩俏怡, 王小雨, 梁子太, 赵智胜
2019, 33(2): 020103. doi: 10.11858/gywlxb.20190705
摘要:
从理论上提出了一种新型金属性硅的同素异形体hP12-Si。 hP12-Si结构可以看作是由六元环形成的一种隧道型结构,与之前报道的Si24结构近似。弹性常数和声子谱的计算结果验证了该结构在常压下的稳定性。通过结构遗传性和热力学稳定性分析表明,可以效仿Si24的制备方法,通过预先合成出高压前驱物LiSi12再除去其中的Li原子来获得hP12-Si。在这种结构中, 有一半的硅原子为5配位,其他硅原子为4配位。电子结构计算表明,该结构具有金属导电性,导电性主要是由于5配位原子的存在导致价电子具有离域性。
微米晶单斜氧化锆高压相变制备亚微米四方多晶氧化锆
董丙舜, 王海阔, 仝斐斐, 侯志强, 李振, 刘童, 臧金浩, 杨西贵
2019, 33(2): 020104. doi: 10.11858/gywlxb.20190709
摘要:
高压相变已逐渐发展成为一种制备纳米/亚微米多晶陶瓷块体材料的有效方法。高压可以抑制原子的长程扩散进而抑制晶粒长大,高压下截获的新相不受初始材料晶粒尺寸的制约,通过热力学调控可以得到晶粒尺寸更小的多晶块体材料。陶瓷材料在特定热力学条件下通常会发生相变,新相的形成要经历形核、生长的过程。采用晶粒尺寸为2 \begin{document}$ {\text{μ}} $\end{document}m的单斜ZrO2与晶粒尺寸为50 nm的Y2O3以97 : 3的摩尔比混合,在5.5 GPa、800~1700 ℃温压区间内对初始材料进行烧结,采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜对所得样品进行表征。研究结果表明:高压下截获了单斜相和亚微米四方相复合的多晶ZrO2块体材料,1200、1400、1600和1700 ℃温度下获得的四方相的平均晶粒尺寸为(145±62) nm、(246±165) nm、(183±62) nm和(245±107) nm。利用高压相变以微米晶制备细晶粒多晶块体材料,可以避免常规方法中以纳米粉末为初始材料制备细晶粒多晶块体材料存在的团聚、吸附及晶粒长大的问题,进而发展一种以微米晶为初始材料通过高压相变制备高性能细晶粒多晶块体材料的方法。
二次加压对六面顶压腔压力发生效率和压力密封性能的影响
张佳威, 李强, 王俊普, 贺端威
2019, 33(2): 020105. doi: 10.11858/gywlxb.20190703
摘要:
随着六面顶压机大腔体静高压技术的发展,复杂多变的压力加载工艺被应用于高压科学研究和材料制备,但是不同压力加载工艺对压力发生效率和压力密封性能的影响尚未被充分研究。本工作在六面顶压机高压腔体和密封边内置入电路,通过原位测量Bi、Tl、Ba和锰铜丝的电阻,标定了一次加压和二次加压两种不同压力加载工艺下外部加载与腔体压力及密封边压力的对应关系。实验分析结果表明,二次加压工艺会导致腔体和密封边的压力发生效率明显降低,同时也会降低压力密封性能最差时对应的外部加载。此研究可为高压装置和压力加载工艺的优化设计提供指导。
镁铝合金的冲击熔化行为实验研究
谭叶, 肖元陆, 薛桃, 李俊, 金柯
2019, 33(2): 020106. doi: 10.11858/gywlxb.20190729
摘要:
采用反向碰撞实验技术,结合具有高时空分辨率的全光纤激光干涉测速技术,对镁铝合金开展了极端动态压缩条件下的动力学行为实验研究,获得了镁铝合金在30~73 GPa压力范围内的Hugoniot和声速实验数据。深入的数据分析表明,所获得的Hugoniot数据与早期的Hugoniot数据一致,但是纵波声速却呈现出明显的向体波声速转变的趋势,对应冲击加载下镁铝合金的固-液熔化相变,相变压力区间为40~57 GPa。
高压理论与计算
稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能
张飞鹏, 施加利, 张静文, 包黎红, 秦国强, 张光磊, 杨新宇, 张久兴
2019, 33(2): 022201. doi: 10.11858/gywlxb.20180668
摘要:
利用密度泛函理论和Birch-Murnaghan物态方程,系统分析了LaB6晶体材料的弹性常数参数、体弹性模量、剪切弹性模量及其他力学性能。结果表明:LaB6晶体具有较大的弹性常数参数C11,说明在此主轴应力方向上具有较大的弹性常数;同时它还具有较大的体弹性模量,并且体弹性模量具有各向同性,剪切弹性模量具有各向异性;LaB6晶体的杨氏模量为227.85 GPa,泊松比为0.26,体剪弹性模量比值达到1.44,表明其脆性较强,不易发生弹性形变;LaB6晶体的硬度达到11.56 GPa,平均弹性波速达4.87 km/s。LaB6的带隙宽度为0.20 eV,呈金属性,内部电子具有较强的局域性,La和B之间具有较强的共价键成分。
微观尺度下金属/气体界面RM不稳定性自相似现象的分子动力学模拟
丁雨, 黄生洪
2019, 33(2): 022301. doi: 10.11858/gywlxb.20180606
摘要:
极端冲击加载条件下的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定性在惯性约束核聚变领域有重要的学术价值和工程意义。宏观动力学方法受限于极端条件下的模型和参数准确性而难以直接应用,微观分子动力学方法则受限于计算量而难以直接模拟宏观尺度现象。为了解RM不稳定性微观与宏观规律之间的联系,采用基于嵌入原子多体势(EAM)的分子动力学方法模拟铜-氦微观尺度界面在极端冲击加载条件下(活塞冲击加载速度6~15 km/s)的RM不稳定性现象,对比文献提供的近似条件下宏观模拟结果发现,演化过程在唯象上完全相似。进一步比较了不同尺度(7.3~145.0 nm)、不同冲击加载速度(11.7~20.6 km/s)、不同初始界面扰动(扰动振幅与波长之比0.20~0.05)条件下振幅发展规律,发现在相同冲击动力条件和边界条件下,RM不稳定性的振幅增长规律在计算尺度范围内完全自相似,主要参数的变化特征符合理论预测。尽管理论模型因简化而存在一定偏差,但是微观模拟获得的振幅增长规律与宏观现象有相似的变化特征。
高压技术与新材料合成
基于连续压导探针的水箱法测量爆压
李科斌, 李晓杰, 王小红, 闫鸿浩, 曹景祥
2019, 33(2): 023201. doi: 10.11858/gywlxb.20180652
摘要:
为了使爆压测定方法更加方便并且更适合于野外大药量的测量,利用自行研制的压导式连续电阻丝探针,设计了一种改进水箱法,可在单次试验中连续记录炸药爆轰波和水中冲击波波阵面的运动轨迹。同时,为了进一步简化实验装置和操作过程,设计了基于连续压导探针的简化水箱法。利用以上两种实验装置,对不同组分的ANFO炸药进行爆压测量,获得了爆轰波-冲击波波阵面时程曲线。通过对爆轰波段数据拟合,得到了各待测炸药的爆速;利用贴近炸药区域介质中的冲击波数据,拟合得到初始冲击波速度,再结合水和有机玻璃的冲击Hugoniot曲线以及阻抗匹配原理,求解得到各待测炸药的CJ压力和绝热指数。实验结果表明,基于连续压导探针的改进水箱法可准确快捷地测量炸药的爆速、爆压等参数,可作为炸药性能测试技术的重要补充。
高压下物质的动态响应
混凝土薄板侵彻贯穿问题的SPH数值模拟
强洪夫, 孙新亚, 王广, 陈福振
2019, 33(2): 024101. doi: 10.11858/gywlxb.20180634
摘要:
随着混凝土结构强度的不断提高,越来越多的防护工事选择混凝土作为主要建筑材料。在光滑粒子流体动力学方法的基础上,提出了TCK-HJC复合本构模型,对锥形弹刚性侵彻过程中混凝土薄板的变形损伤进行数值模拟,采用拟流体模型处理失效的混凝土碎片,分析了不同侵彻角(0°,60°)下锥形弹侵彻混凝土薄板的变形过程,得到了薄板的压力分布以及失效混凝土碎片的飞散角度,并与实验进行对比。结果表明,数值模拟方法是合理的,为进一步研究脆性材料的力学性能奠定了技术基础。
球形弹丸超高速撞击靶板时背表面材料破碎的数值模拟分析
郝伟江, 龙仁荣, 张庆明, 陈利, 龚自正
2019, 33(2): 024102. doi: 10.11858/gywlxb.20180651
摘要:
选取合适的材料状态方程和强度模型,通过数值模拟分析超高速撞击下弹丸材料的破碎行为。弹丸的破碎主要有两种:稀疏波引起的层裂和材料在高压作用下的碎裂。由于层裂影响和高压影响下弹丸的破碎方式不同,导致两种情况下材料产生的碎片形状和大小不同。分析球形弹丸在撞击靶板过程中压力脉冲的传播及衰减形式发现:在弹丸和靶板尺寸相同的情况下,弹丸中压力脉冲的脉宽基本保持不变,而峰值压力随着撞击速度的增加而增加;在撞击速度相同的情况下,弹丸中压力脉冲的峰值压力基本不变,而压力脉冲的脉宽随着靶板厚度的增加而增加。弹丸中传播的压力脉冲与后期弹丸背表面的层裂相关,其峰值及变化速率直接影响背表面层裂厚度,其脉宽直接影响背表面沿弹丸径向的层裂深度。得到层裂厚度以及层裂破碎方式的影响区域,对研究后期碎片云分布有重要参考价值。
聚脲涂覆钢板在爆炸载荷作用下的动态响应
王殿玺, 郭香华, 张庆明
2019, 33(2): 024103. doi: 10.11858/gywlxb.20180650
摘要:
在验证了所用方法有效性的基础上,采用有限元软件LS-DYNA数值模拟了等面密度聚脲涂覆钢板结构及单一钢板在空爆下的动态响应,分析了聚脲涂覆位置对其抗爆性的影响;在此基础上,通过量纲分析的方法讨论了爆心距、炸药质量、涂覆聚脲厚度对钢板变形的影响规律。结果表明,聚脲涂覆在钢板上的位置影响其抗爆性能。其他变量一定的情况下,钢板中心最大位移随爆心距的增加近似呈指数递减趋势;改变炸药质量时,钢板中心最大位移随炸药质量的增加近似呈线性递增趋势;改变涂覆聚脲厚度时,钢板中心最大位移随涂层厚度的增加近似呈线性递减趋势。
三向围压下碳酸盐岩的动态力学试验
咸玉席, 刘志远, 张俊江, 孙清佩, 董研, 卢德唐
2019, 33(2): 024201. doi: 10.11858/gywlxb.20180667
摘要:
原位地层中的碳酸盐岩在动态冲击下的力学行为是研究大规模开发碳酸盐岩油气藏的基础。利用真三轴霍普金森压杆装置,对碳酸盐岩在三向围压下的动态力学行为进行研究,测得碳酸盐岩试样在受到三向不同围压、单向冲击荷载作用下的动态应变率和动态抗压强度,揭示出在三向围压下碳酸盐岩受到动态冲击后仅出现微裂缝开裂的特征。
聚苯乙烯泡沫材料的动态压缩特性
雷忠琦, 姚小虎, 龙舒畅, 常建虎, 王海波
2019, 33(2): 024202. doi: 10.11858/gywlxb.20180655
摘要:
通过万能材料试验机和落锤式冲击试验装置,对发泡聚苯乙烯泡沫材料进行准静态和动态压缩试验,探讨密度和加载速率对材料动态压缩特性的影响。基于落锤试验数据,考虑密度相关性,通过修正得到恒定应变率下材料动态本构关系的经验公式。基于LS-DYNA中的MAT57和MAT163以及ABAQUS中的Low Density Foam和Crushable Foam 4种材料模型,建立了适用于有限元仿真的发泡聚苯乙烯泡沫本构模型。通过模拟落锤冲击过程,对比试验结果发现:MAT163和Crushable Foam模型能较好地预测材料动态响应和能量吸收性能,验证了动态本构模型的可靠性,并且这两种特定的材料模型在模拟发泡聚苯乙烯泡沫冲击碰撞时具有良好的适用性。
纤维编织材料超高速撞击特性实验研究
苗常青, 徐铧东, 靳广焓, 孙甜甜, 祖振南
2019, 33(2): 024203. doi: 10.11858/gywlxb.20180654
摘要:
与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。
冲击荷载下植物纤维增强高聚物复合材料的力学性能
马东方, 马伯翰, 张幸锵
2019, 33(2): 024204. doi: 10.11858/gywlxb.20180656
摘要:
植物纤维代替人造纤维作为填充体的增强高聚物复合材料可用于汽车、航空航天等工业。选用一定含量的植物纤维及其他填充材料增强高聚物复合材料,在万能材料试验机和分离式霍普金森杆实验装置上进行不同应变率下准静态和动态冲击拉伸及压缩实验。结果显示,在植物纤维中加入少量的纳米黏土颗粒和长玻璃纤维能够较大地提高复合材料的力学性能。使用扫描电子显微镜对不同应变率拉伸下的回收试件断口进行微观分析,揭示了植物纤维增强高聚物复合材料在不同应变率下的断裂特性。
碳纳米管薄膜层间改性复合材料在不同应变率下的力学性能
李周仪, 胡振彪, 汪浩康, 索涛
2019, 33(2): 024205. doi: 10.11858/gywlxb.20180658
摘要:
将浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管膜作为碳纤维层间改性材料,采用热压成型工艺制备了碳纳米管膜/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料,并对其进行准静态II型断裂韧性实验以及准静态和动态压缩实验。碳纳米管膜层间改性后,复合材料的II型断裂韧性比未改性材料提高约60%,扫描电镜图像显示增韧机理主要是碳纳米管对基体的桥联。压缩实验结果表明,准静态压缩下碳纳米管膜改性材料在面内和面外两个方向的压缩强度都得到一定提高,动态面外压缩时改性后材料的压缩强度提高约9%,但是动态面内压缩时压缩强度没有提高,断口形貌显示这主要是碳纳米管膜内的分层所致。
压剪载荷作用下TB6钛合金的动态力学性能
邹学韬, 张晓晴, 姚小虎
2019, 33(2): 024206. doi: 10.11858/gywlxb.20190713
摘要:
钛合金以其轻质高强的优异力学性能被广泛应用于航空航天领域。使用Instron万能材料试验机和分离式霍普金森压杆,对TB6钛合金进行准静态和动态力学性能实验,得到了压缩、拉伸和压剪载荷作用下TB6钛合金的准静态和动态应力-应变曲线,构建了单轴压缩和纯剪切两种应力状态下的Johnson-Cook动态本构模型。结果表明,TB6钛合金的屈服应力表现出明显的拉压不对称性、应变率强化和热软化效应。使用拉压不对称因子,修正了von Mises屈服准则,修正的屈服准则可很好地预测TB6钛合金的准静态和动态屈服行为。
高压科学应用
近场爆炸作用下核电厂安全壳穹顶钢筋混凝土板的抗爆性能
赵春风, 王强, 王静峰, 张增德
2019, 33(2): 025101. doi: 10.11858/gywlxb.20180598
摘要:
安全壳是核电厂的最后一道防线,其穹顶采用60°配筋混凝土进行设计和建造,配筋方式特殊。借助ANSYS/LS-DYNA,采用CONWEP爆炸模型,建立60°和普通配筋的混凝土板有限元模型,研究了近场爆炸作用下60°配筋混凝土板的动态响应,参数化分析了板厚、药量、钢筋屈服强度和混凝土强度等因素对60°配筋钢筋混凝土板抗爆性能的影响规律;对比研究了普通配筋和60°配筋混凝土板的中心挠度、变形和应力云图,基于数值分析结果,拟合得到两种配筋方式混凝土板中心挠度最大值与药量之间的关系曲线,利用回归分析得到其计算公式。研究结果表明:在相同含钢量的条件下,60°配筋混凝土板中心挠度最大提高60.22%,抗爆性能更强,拟合公式可以较好地预测60°配筋混凝土板的挠度变化。
聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究
高照, 李永清, 侯海量, 李茂, 朱锡
2019, 33(2): 025102. doi: 10.11858/gywlxb.20180619
摘要:
为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。
低侵彻枪弹在明胶内的弹道特性
梁化鹏, 沈培辉, 刘铁磊
2019, 33(2): 025103. doi: 10.11858/gywlxb.20170635
摘要:
为提高子弹的低侵彻性,设计了一种新弹型—开花弹。开展开花弹以不同速度侵彻明胶块的实验,研究弹体头部的变形情况,并利用侵彻深度验证了弹丸的低侵彻性能。研究结果表明:开花弹在撞击明胶块的过程中,其头部开裂程度与枪弹的撞击速度有关,且速度越高,弹头变形越大;弹头开裂成“花瓣状”可增大侵彻阻力,有效降低子弹的侵彻深度;开花弹在不同速度区间内均未穿透明胶块,证明该弹具有良好的低侵彻性能;提出了开花弹的运动模型,该模型可以较好地描述开花弹在明胶内的运动过程。
顶爆作用下裂隙对锚固洞室振动速度的影响
王光勇, 裴晨浩, 林加剑
2019, 33(2): 025201. doi: 10.11858/gywlxb.20180602
摘要:
基于相似模型试验,利用数值分析方法研究了含裂隙锚固洞室在顶爆作用下质点峰值振速的分布规律,并探讨了裂隙倾角和长度对峰值振速的影响。结果表明:裂隙和洞室表面在迎爆侧存在振速放大效应,洞室两侧和底部振速远小于拱顶;随着裂隙长度的增加,锚固洞室拱顶、拱脚和两帮峰值振速先减小后增加再减小,除了长度较短的情况,裂隙的存在使锚固洞室拱顶的峰值振速增加;随着裂隙向右倾斜的倾角增加,拱脚和两帮的峰值振速出现不对称,洞室右边的拱脚和侧帮峰值振速大于左边;拱顶峰值振速先减小后增加,倾角为45°时拱顶峰值振速最小,相较无裂隙洞室降低了48.2%,有效减弱了结构的动力响应。
高压CO2在虾肉糜中的纵向吸附过程
罗帅, 董安迪, 刘书成, 吉宏武, 高静, 毛伟杰, 郝记明, 邓楚津
2019, 33(2): 025301. doi: 10.11858/gywlxb.20180690
摘要:
为了研究高压CO2(High Pressure Carbon Dioxide,HPCD)在蛋白质中的吸附行为,以圆柱形虾肉糜为研究对象,构建纵向溶解吸附模型,采用磁悬浮天平高温高压等温吸附仪测试HPCD在虾肉糜中的纵向吸附质量,研究压强和温度对纵向吸附质量的影响规律。结果表明:仪器直接测得的吸附质量为CO2在虾肉糜中的纵向过剩吸附质量,不能准确反映纵向绝对吸附质量;在吸附未饱和时采用饱和吸附相体积法将过剩吸附质量校正为绝对吸附质量,在吸附饱和时采用吸附相密度法将过剩吸附质量校正为绝对吸附质量;绝对吸附质量更能真实地反映CO2在虾肉糜中的吸附能力。在等温条件下,随着压强升高,CO2在虾肉糜中的纵向绝对比吸附先急剧增加达到峰值,后稍下降并趋于平稳;在等压条件下,随着温度升高,CO2在虾肉糜中的纵向绝对比吸附下降。35~60 ℃时虾肉糜对CO2的纵向绝对比吸附最大值分布在45.53~111.49 cm3/g。研究结果为建立HPCD在虾肉糜中纵向吸附模型提供了基础数据,并为控制虾肉糜形成凝胶的品质提供技术参考。