优先发表

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高压理论与计算
高压下Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH晶体结构与弹性特征的第一性原理研究
顾小雨, 刘雷
, doi: 10.11858/gywlxb.20210789
摘要:
Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH是地幔及核幔边界的重要成分,其在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及动力学过程有重要意义,为此利用第一性原理方法计算了 0~350 GPa条件下Py-FeO2和Py-FeOOH以及0~170 GPa条件下ε-FeOOH的晶体结构与弹性性质。Py-FeO2和Py-FeOOH的晶格常数随压强的增加呈逐渐减小趋势,而ε-FeOOH的晶格常数随压强增加而减小,其中c轴更容易被压缩。Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH的晶胞密度随压强增加而增大,按照密度由大到小依次为Py-FeO2、Py-FeOOH、ε-FeOOH。3相的体积模量随压强的增加线性增加,Py-FeO2和Py-FeOOH的剪切模量随压强的增加线性增加。对比体积模量可知,Py-FeO2的体积模量最高,Py-FeOOH和ε-FeOOH的体积模量在高压下几乎一致;而Py-FeO2的剪切模量最大,ε-FeOOH的剪切模量最小。Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH的压缩波速随压强的增加而增加,Py-FeO2的剪切波速随压强的增加而增加。Py-FeOOH的剪切波速在0~2000 km深度范围内随深度增加而减小,在2000~6000 km深度范围内变化较小(在5.8~6.0 km/s之间);ε-FeOOH的剪切波速在33 GPa(约900 km深度)发生突变。3相中ε-FeOOH的波速最低,而Py-FeO2的波速最高。综合计算结果表明,Py-FeO2和Py-FeOOH具有高密度、低波速的特点,与地幔超低速区的性质一致。Py-FeO2和Py-FeOOH在形成之后可能富集下沉到核幔边界,成为超低速区的来源。ε-FeOOH在超过33 GPa压强条件下发生的氢键对称化给ε-FeOOH的结构带来显著变化,同时氢键对称化会影响原子间相互作用,进而影响ε-FeOOH的弹性性质以及地震波速。
高压下物质的动态响应
20 GPa斜波压缩下PBX-14炸药的动力学响应
种涛, 莫建军, 傅华, 郑贤旭, 李涛, 张旭
, doi: 10.11858/gywlxb.20210877
摘要:
利用磁驱动加载实验技术和激光干涉测速技术,开展了未反应固体TATB基PBX-14炸药的斜波压缩实验,获得了20 GPa峰值压力下PBX-14炸药的后表面速度波剖面实验数据。基于阻抗匹配修正的迭代Lagrange数据处理方法处理实验数据,获得了0~20 GPa压力范围内PBX-14炸药的压力-相对比容关系、高压声速-粒子速度关系等动力学特性参数。结合等熵状态方程和由实验获得的动力学参数,对PBX-14炸药的斜波压缩实验过程开展了一维流体动力学数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好,验证了本实验方法、数据处理方法及选取的物理模型的正确性。
新型仿生蜂窝结构的设计与耐撞性能分析
于鹏山, 刘志芳, 李世强
, doi: 10.11858/gywlxb.20210817
摘要:
受自然界毛竹微观结构的启发,在传统圆管与六边形管的基础上引入内管及双菱形肋骨,通过拓扑衍生方法设计了两种新型仿生蜂窝结构。在此基础上利用有限元软件ABAQUS对新型仿生蜂窝的耐撞性进行数值模拟,研究了蜂窝单胞构型、蜂窝壁厚、双菱形肋骨夹角对仿生蜂窝耐撞性能的影响。此外,基于超折叠单元理论,建立了仿生蜂窝结构的理论分析模型。结果表明:仿生蜂窝的面外压缩耐撞性能优于传统圆形蜂窝和传统六边形蜂窝。新型仿生六边形蜂窝的比吸能相比传统六边形蜂窝提高51.18%,压缩力效率提高53.14%。仿生蜂窝结构的平均压缩力理论预测结果与数值模拟结果吻合,两者间的误差均在10%以内。单胞构型为六边形的仿生蜂窝的耐撞性能优于圆形仿生蜂窝。适当增加仿生蜂窝壁厚或增大双菱形肋骨夹角,均有利于提高结构的耐撞性能。
冲击载荷下分支交错层状仿生复合材料动态断裂行为的实验研究和数值模拟
张海广, 王瑜, 安连浩, 王可, 武晓东
, doi: 10.11858/gywlxb.20210776
摘要:
通过三点弯动态冲击实验和数值模拟方法,研究了分支交错层状仿生复合材料的动态断裂韧性。首先设计并制备了分支交错层状仿贝壳复合材料试样,即将一种脆性刚性材料和一种橡胶类材料分别作为复合材料的硬质层和软胶层;随后采用改进的分离式Hopkinson压杆装置进行了三点弯冲击实验;接着讨论了初始冲击速度、硬质材料长宽比、软质材料层厚度对复合材料试样动态断裂行为的影响;最后采用ABAQUS有限元数值模拟,研究了不同宽度和不同冲击方向对复合材料试样动态断裂韧性和裂纹扩展的影响。结果表明:随着冲击速度和硬质材料长宽比增加、软胶层厚度减小,裂纹越倾向于沿直线扩展,反之,裂纹越倾向于绕过硬质材料沿着软胶层呈折线扩展;试样的峰值动载荷和起裂时间也随之增大。有限元模拟结果表明:随着结构总宽度的增大,试样断裂韧性增加,裂纹倾向于绕过硬质材料沿着软胶层扩展;采用实验设计的冲击方向时,试样的断裂韧性高于其他方向。
冲击载荷下仿贝壳砖泥结构的动态响应
刘英志, 雷建银, 王志华
, doi: 10.11858/gywlxb.20210790
摘要:
贝壳作为典型的抗冲击生物材料,具有轻质、高强、高韧等优异性能。通过构建仿贝壳砖泥结构有限元模型,并对其在落锤冲击载荷下的动态响应进行数值模拟,分析了堆叠层数、冲击速度及锤头类型对仿贝壳砖泥结构能量吸收性能的影响。结果表明:5类堆叠层数下的仿贝壳砖泥结构的比吸能呈先增加后减小的变化趋势,并且在所设计的5类堆叠层数结构中,3层仿贝壳砖泥结构具有最大的比吸能,其值较比吸能最小的单层结构提高了10.8%;随着冲击速度的提升,结构载荷峰值及能量吸收均略有增大;相同锤径下,圆柱形锤头较半球形锤头更易穿透模型。
冲击加载下金属铝中氦泡演化行为的相场模拟
万曦, 姚松林, 裴晓阳
, doi: 10.11858/gywlxb.20210791
摘要:
氦泡等缺陷对金属材料动态强度的影响一直是动态强度研究关注的重点。将相场方法引入冲击加载下氦泡演化行为研究中,通过与晶体塑性理论耦合,建立了可描述冲击下氦泡早期演化行为的介观模拟技术。应用该方法,针对含氦泡的金属铝材料,从介观尺度对氦泡的演化行为及其对位错集体演化行为的影响进行了研究。结果表明:氦泡结构的非均匀性导致局域应力集中和塑性变形集中,局域塑性变形集中会导致沿冲击波传播方向发射稀疏波;从能量守恒角度上看,在材料变形过程中氦泡生长与塑性变形呈竞争关系,塑性耗散的快慢直接影响氦泡的生长速率,使其发生改变。研究结果可为解读含氦泡材料的宏观屈服强度和层裂行为提供理论支撑。
改进型FCC晶格材料设计与吸能特性
郭璐, 刘志芳, 李世强, 吴桂英
, doi: 10.11858/gywlxb.20210853
摘要:
基于金属微观晶体结构,设计了一种改进型面心立方(FCC)晶格材料。利用 ABAQUS有限元软件,对体心立方(BCC)及FCC晶格材料进行了准静态与速度为10~100 m/s的动态加载数值模拟,定量分析了两种晶格材料的能量吸收性能,给出了动态加载下晶格材料压缩平台应力及塑性能量耗散的半经验公式。结果表明:在准静态压缩载荷下,相同相对密度的FCC晶格比BCC晶格具有更优异的能量吸收性能,当相对密度为10.5%~10.6%时,FCC晶格材料的归一化比吸能是BCC晶格材料的2.6倍。此外,与常见负泊松比材料及大部分桁架晶格材料相比,相同相对密度的FCC晶格材料具有更高的比刚度、能量吸收效率及压缩力效率。
高压物性与结构
Sn1−xGexTe的高温高压合成及热电性能
周绪彪, 李尚升, 李洪涛, 宿太超, 杨曼曼, 杜景阳, 胡美华, 胡强
, doi: 10.11858/gywlxb.20210805
摘要:
在众多热电材料中,SnTe具有与PbTe相同的晶体结构且不含重金属Pb,近年来引起了人们的广泛关注。目前,本征SnTe的热电性能并不特别优异,存在以下问题:大量本征Sn空位导致载流子浓度过高,从而降低了电输运性能;价带中的轻带与重带能量劈裂较大,且带隙过窄,不利于通过重带参与电运输提高Seebeck系数;晶格热导率较大。利用高温高压方法快速合成了Ge掺杂的SnTe合金,系统研究了不同Ge含量对SnTe的微观结构和热电性能的影响。结果表明:Ge掺杂能够有效地调控SnTe材料的电运输性能;Ge掺杂使样品的微观结构发生变化,样品晶粒细化,且析出纳米第二相,晶界和纳米相对声子的散射作用降低了热导率;样品Ge0.2Sn0.8Te在700 K时的热电优值达到0.35。
量子材料GaTa4Se8的基态研究
邓宏芟, 张建波, 王东, 胡清扬, 丁阳
, doi: 10.11858/gywlxb.20210797
摘要:
量子材料GaTa4Se8(GTS)不仅展现出绝缘体到金属相变、Jeff量子态以及拓扑超导等多种有趣的物理性质,而且还是电阻开关和存储介质材料,一直以来备受关注。当前科学家们对其绝缘基态的结构仍存在争议,基态结构的不确定阻碍了对其各种物理性质的深入理解。GaTa4Se8的绝缘基态长期被认为具有立方对称结构(空间群\begin{document}$ F\bar{4}3m $\end{document}),其电子能隙是由自旋轨道耦合效应和电子关联共同作用形成的Mott型能隙。最近第一性原理计算表明,立方结构的声子谱存在虚频而不稳定,并预测立方对称存在结构畸变会形成更稳定的三方结构(\begin{document}$ R3m $\end{document})或四方结构(\begin{document}$ F\bar{4}{2}_{1}m $\end{document})。为此,本研究通过压力调节该材料的电子能隙,结合Raman光谱、X射线衍射、电阻测量等多种实验表征手段,对比实验得到的数据与第一性原理计算结果,进一步探索GaTa4Se8的基态结构。研究表明三方对称结构(\begin{document}$ R3m $\end{document})更符合实验观察结果。
碳酸铅在不同传压介质下的高压拉曼研究
阿卜力孜 • 麦提图尔荪, 艾尼瓦尔 • 吾术尔, 谢翠焕, 亓文明
, doi: 10.11858/gywlxb.20210813
摘要:
为研究PbCO3在高压下的稳定性,利用金刚石对顶砧技术,采用NaCl固体、甲醇-乙醇-水混合液体(16∶3∶1)和甲醇-乙醇混合液体(4∶1)做传压介质,开展了PbCO3的高压拉曼实验,最高压强分别达到24.5、25.0和67.0 GPa。研究发现,PbCO3在10、15和30 GPa左右发生相变,在静水压强条件下\begin{document}${\rm{CO}}_3^{2-} $\end{document}基团的ν2-外弯曲振动模出现了软化现象。通过对比得到不同传压介质中PbCO3的Grüneisen参数γ,发现相变机制略有不同,并且压强对晶格振动的影响比\begin{document}${\rm{CO}}_3^{2-} $\end{document}基团的影响大,这是由Pb2+―O键的键长较大造成的。在所研究的压强范围内,PbCO3没有发生分解或非晶化,30 GPa以上出现的PbCO3-Ⅳ相直至67 GPa都很稳定。
高压科学应用
水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法
段超伟, 宋浦, 胡宏伟, 冯海云
, doi: 10.11858/gywlxb.20210782
摘要:
将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用\begin{document}$\gamma$\end{document}律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。
多种复合炸药装药的慢烤特性及其机理
肖游, 智小琦, 王琦, 范兴华
, doi: 10.11858/gywlxb.20210871
摘要:
为研究不同结构复合装药在慢速烤燃过程中的响应规律,分别设计了JH-2和JHB炸药的\begin{document}$\varnothing $\end{document}19 mm单独药柱装药和\begin{document}$\varnothing $\end{document}30 mm复合药柱装药烤燃弹,通过慢速烤燃试验分别获得了单独药柱烤燃弹在1和2 ℃·min−1升温速率、复合药柱烤燃弹在1 ℃·min−1升温速率下的温度-时间变化曲线,并结合数值模拟进一步分析了烤燃弹内部温度场的变化。研究结果表明:单独药柱装药情况下,低敏感炸药能明显降低弹药在热刺激下的响应等级;而在复合药柱装药时,烤燃弹响应点均位于外层低敏感药柱靠近壳体的环状区域,响应温度随高能药柱直径的增加而升高,响应等级随外层低敏感药柱厚度的增加而增加,复合装药由于药柱接触面存在接触热阻,烤燃弹传热受到阻滞,使得内部高能药柱极少参与反应。
高压技术
双向活塞圆筒装置19 mm外径样品组装的压强和温度标定
程志康, 张清, 刘勋, 吴也, 黄海军
, doi: 10.11858/gywlxb.20210802
摘要:
在高温高压实验中,样品所处位置的压强、温度及样品腔温度分布情况对实验结果分析十分重要,因此使用高温高压实验装置前需对所用组装进行压强和温度标定。针对双向活塞圆筒装置19 mm外径样品组装,进行了压强与温度标定。利用氯化钠(NaCl)在高压下的熔化曲线对压强进行标定,当下油缸油压出现大幅度下降时,样品腔内的NaCl发生熔化,将此时热电偶测量的温度与文献报道的NaCl在高压下的熔化曲线进行比较,确定样品腔内的实际压强。压强标定结果显示,实际压强与目标压强满足线性关系。采用双热电偶法对19 mm外径样品组装样品腔的中部和上部进行测温,发现样品腔中心温度高于样品腔上部温度,温度梯度随温度升高而增大,随压强升高而减小。在二次加压升温时,样品腔内的温度梯度高于第一次加压升温实验测量结果。所得压强和温度标定结果对今后使用19 mm外径样品组装开展高温高压实验研究具有参考价值和指导意义。