阅读全文
PDF对于含能材料，6 THz（200 cm−1）以内的晶格振动模式对外部压力变化引起的结构变化非常敏感，因此，中远红外振动光谱可作为研究含能材料高压相变的有力手段。利用基于空气等离子体产生的中远红外超宽带光谱技术，结合金刚石对顶砧，获得了含能材料硝酸肼的高压振动光谱。同时，采用第一性原理方法，计算了硝酸肼的晶体结构和红外光谱，在此基础上对分子间的相互作用进行了分析。综合实验和计算结果，揭示了压力作用下分子间氢键和范德瓦尔斯相互作用对材料中分子结构和堆垛变化的影响，获得了硝酸肼的相变过程。
聚合物被广泛应用于国防和国民经济的各个领域，在服役过程中，不可避免地暴露于高温高压等极端环境，因此，有必要研究其在冲击荷载下的物性及“相变”问题。聚合物具有独特的分子链结构，表现出异于金属等大多数材料的性能。聚合物的雨贡纽曲线低压外推的截距明显高于零压体波声速，且低压下的波剖面呈现带弧形的波系结构。在20～30 GPa压力范围，其雨贡纽曲线存在明显的转折，说明材料在冲击下发生了“相变”。首先，对该“相变”反映的化学分解和晶格结构转变进行了解释，并对其中蕴含的“相变”动力学问题进行了研究。然后，简单介绍了基于化学分解的物态方程的建模方法。最后，对聚合物在冲击荷载下的物性和“相变”研究提出了展望。
镁合金被广泛应用于材料科学、航空航天及军事装备等领域。实验发现，镁合金材料在动态加载下的力学响应与介观尺度不连续动态再结晶紧密相关。为此，构建了镁合金动态再结晶的相场模型，以AZ31B镁合金为研究对象，模拟了不同温度（250～400 ℃）、低应变率（0.01～1.00 s−1）加载下的不连续动态再结晶演化过程。再结晶相场模型耦合了塑性应变，实现了应力-应变曲线与再结晶组织演化的迭代求解。模拟发现，再结晶晶粒的体积分数和平均晶粒尺寸随温度的升高而明显增大，随应变率的增大而减小。
高强钢因强度高、塑性好、耐腐蚀性优异而得到广泛应用。然而，高强钢具有显著的应变率敏感性。为此，针对2种高强钢（Ultrafort 401和Ferrium S53钢），开展了不同应变率下（10−4～103 s−1）的拉伸试验，获得了屈服强度、抗拉强度、硬化指数等性能参量，并深入分析了其随应变率变化的规律。不同应变率下，Ferrium S53钢的拉伸性能始终优于Ultrafort 401钢，但两者却表现出不同的变化趋势。随着应变率的增加，Ultrafort 401钢的屈服强度和抗拉强度均增大，而Ferrium S53钢的屈服强度增大，抗拉强度先减小后增大。结合微观结构表征发现，Ferrium S53钢所具有的较高的屈服强度与其初始晶粒尺寸更小有关，2种高强钢的抗拉强度随应变率增加所表现出的不同变化趋势则与应变硬化响应差异有关。随着应变率的升高，Ultrafort 401钢的韧窝尺寸增大，而Ferrium S53钢的韧窝尺寸先减小后增大，说明2种高强钢的应变硬化水平随着应变率升高而呈现不同的变化趋势。研究结果为高强钢在不同加载条件下的力学性能评估提供了科学依据，对高强钢的工程应用具有一定的指导意义。
采取电化学加速腐蚀试验对Q245R钢试样进行处理，以模拟炭化釜的实际腐蚀工况，通过电化学腐蚀拉伸试验，发现腐蚀不仅改变试样的几何尺寸，而且导致材料力学性能退化。对Q245R钢材料进行不同温度、腐蚀率、应变率（10−3～1 s−1低应变率、10～102 s−1中应变率、103 s−1高应变率）的拉伸试验，并运用MATLAB在Johnson-Cook本构方程的基础上进行拟合，增加特征强度与热处理温度、腐蚀率的关系，从而确定了材料的本构关系。结果显示，本构曲线与真实拉伸试验数据吻合较好，拟合效果良好。
氮在常压下是非常稳定的元素，以氮气分子形式存在。研究发现，氮在高温高压下能够形成聚合结构，这种结构具有极高的能量密度，而且分解产物为无污染的氮气，从应用角度上看，它能够作为新型环保高能量密度材料。随后，人们对其进行了大量的研究，得到了氮在高压条件下的相图，并且合成出立方偏转氮、层状聚合氮等结构。然而，纯氮聚合结构的合成条件比较严苛，在常压下很难保存。人们又转向分子结构氮和惰性气体氮化物等，希望能够得到常压下稳定的高能量密度氮结构。为此，针对目前高能量密度氮的理论和实验进展进行了简要的介绍，并对未来高能量密度氮的发展方向进行了探讨。
氮是地球大气的主要成分，体积分数约为78%。在常温常压下，氮以三键的形式（N≡N）结合为稳定的双原子分子。然而，在极端高压的作用下，氮气可以解离成含有双键（N＝N）甚至单键（N―N）的固体聚合氮结构。由于N≡N与N＝N、N―N之间存在巨大的能量差异，其转变过程中伴随着巨大的能量释放，因此，聚合氮是备受关注的高能量密度物质。然而，单质聚合氮必须在高于百万大气压（100 GPa）的环境下才能实现实验制备，苛刻的合成条件极大地限制了其发展及应用。研究发现，金属元素的引入可降低反应势垒，提供化学压力，有效降低聚合氮的合成压强，并形成丰富多样的聚合氮构型。为此，本文重点介绍了高压下主族金属氮化物的结构和含能特性研究进展，讨论了金属富氮化合物在高压下稳定的物理机制，并对未来新型富氮化合物的设计和制备方向提出展望。
近室温富氢超导材料相关实验报道引发了科研人员对富氢超导的广泛关注，理论预测与实验探索新的富氢超导体及其物性研究已经成为目前超导领域的研究热点。本文结合课题组在富氢超导材料方面的实验研究工作，详细介绍了二元富氢超导体的实验研究进展。
自从1911年著名物理学家Onnes发现超导电性以来，人们不断努力提高超导转变温度，室温超导体是人类追逐的百年梦想。在近百年的研究历程中，铜基超导体、铁基超导体及麦克米兰极限MgB2超导体的发现不断刷新了人们对超导领域的认知，也增强了人们进一步提高超导转变温度和挖掘高温超导机制的信心。最近，理论预测并被实验验证的新型富氢化合物显示了高温乃至室温超导电性的巨大潜力，成为室温超导体的最佳候选体系之一。值得注意的是，高压下硫氢化物和镧氢化物均具有超过200 K的超导转变温度，引领了富氢化合物的研究热潮，涌现了一些重要的理论和实验成果。本文聚焦于目前富氢化合物超导体的实验研究进展，从不同氢结构单元及氢成键特征的角度总结和归纳新型富氢化合物的晶体结构性质及超导性能。主要介绍了5种在实验上成功获得的富氢化合物超导体：间隙型、离子型、共价型、笼型及分子型。通过对比分析不同类型的富氢化合物超导体，总结出一些影响超导转变温度的普适规律，并提出目前实验上亟待解决的问题和未来主攻的实验方向。
自从在汞中发现4.2 K的超导转变温度以来，寻找室温超导体一直是凝聚态物理领域的研究热点。近年来，科学家在高压极端条件下发现了以共价型H3S（
具有黄铁矿结构的3
氢元素在常压下具有最简单的晶体结构和物理性质。随着压强增加，氢单质发生相变，由绝缘体转变为金属，被称为金属氢。数值模拟表明，金属氢具有高温超导电性，因此，金属氢研究也被称为高压物理领域的“圣杯”课题。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对固体氢在极端高压（0.5～5.0 TPa）下的结构和超导电性开展了系统研究。研究结果表明：固体氢的高压相变序列为
采用第一性原理计算方法，研究了三元氢化物Y-Si-H体系在高压下的晶体结构、电子性质及超导性质，发现了热力学稳定的YSiH7、YSiH9、YSi2H12和YSiH18，以及热力学亚稳的YSi2H13、YSi2H14和Y2SiH17。电子性质计算表明，YSiH7为绝缘体，YSi2H13为半导体，其余氢化物均具有金属特性。通过麦克米兰方程估算超导转变温度（
对RbBSi化合物在0～100 GPa压力范围内进行了广泛的群体智能结构搜索。提出了RbBSi的3种不同相，并通过第一性原理计算了其稳定性、电子结构和潜在的超导电性。在所研究的压力范围内，所有预测相在热力学和动力学上都是稳定的。3个相的能带都穿过费米能级，表明结构具备金属性。此外，
Ac元素作为锕系第一号元素，AcH10的超导转变温度（
高压下的稀土金属超氢化物因具有高温超导电性而受到广泛关注。由于实验只能部分地确定超氢化物中稀土金属原子的晶格结构，因此，第一性原理计算成为全面理解其结构与物性的重要方法。基于第一性原理计算，对氢含量不同但Ce晶格结构相同的面心立方CeH9和CeH10的弹性、晶格动力学、质子动力学性质进行了对比研究，发现低氢含量有利于面心立方超氢化铈的弹性和声子稳定向低压拓展。在100～140 GPa压强区间，室温下CeH9和CeH10不具有显著的质子扩散，但1500 K时全面转变为超离子态，扩散系数分别为1.6×10−4～1.2×10−4 cm2/s和1.9×10−4～1.5×10−4 cm2/s；扩散系数与温度、氢含量正相关，但与压强负相关。所获得的压强、温度及氢含量对超氢化铈结构与动力学性质的影响规律可为其他超氢化物研究提供参考。
Nb3Sn超导体在循环载荷下的变形损伤行为研究对揭示超导体临界性能不可逆退化背后的力学机制具有重要意义。采用分子动力学模拟方法研究了极低温条件下单晶和多晶Nb3Sn/Nb复合材料在循环载荷下的变形损伤行为，同时分析了应变率对Nb3Sn/Nb复合材料变形损伤和断裂行为的影响。结果表明：单晶Nb3Sn/Nb复合材料在循环载荷作用后，Nb3Sn层出现滑移，当滑移带交错处的局部应力大于材料强度时，在滑移带交错处微裂纹萌生，致使复合材料中Nb3Sn层断裂失效；而多晶Nb3Sn/Nb复合材料则由于晶界处应力在循环载荷下得不到松弛，当应力峰值超过晶界强度时，在晶界处萌生微裂纹，导致复合材料中Nb3Sn层发生沿晶断裂。Nb3Sn/Nb复合材料在不同应变率下表现出不同的断裂方式。随着应变率的增加，单晶Nb3Sn层中的滑移带数量增加，导致单晶Nb3Sn/Nb复合材料的韧性增强。而多晶Nb3Sn/Nb复合材料中，晶界对材料强度的影响随着应变率的增加而降低，高应变率下，复合材料在Nb3Sn层局部断裂后具有较大的剩余强度。研究结果将有助于理解Nb3Sn/Nb复合材料在循环载荷下的损伤演化过程，为材料的性能优化设计提供一定的理论指导。
弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用，具有更优异的抗震和抗爆性能，被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理，参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明：在爆炸荷载下，栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好，仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度；减小拱高，混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主，混凝土损伤更严重，组合板跨中挠度变大；减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度，但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。
Zr基非晶破片是一种新兴的活性高效毁伤元，其着靶速度达到一定阈值时会发生燃烧反应并破碎，从而大幅提高其后效毁伤能力。为研究Zr基非晶破片对碳纤维增强复合材料的侵彻破坏机理及后效毁伤能力，利用弹道枪加载球形破片，分别以496.4～1085.8 m/s、571.4～1103.9 m/s的速度范围撞击8和6 mm厚的碳纤维复合靶，并布置2 mm厚LY12铝靶板作为后效靶，以比较破片在不同工况下的后效毁伤能力。实验结果表明：碳纤维靶受活性破片冲击时，其迎弹面的破坏形式主要是压缩失效与剪切失效的耦合破坏，其背弹面的破坏形式主要是拉伸失效破坏与层间的脱粘分裂；随着破片着靶速度的提高，碳纤维靶板的压剪耦合破坏比例逐渐增加，拉伸断裂与分层现象逐渐减弱；破片对于8和6 mm厚碳纤维靶的弹道极限速度分别为351.9、264.6 m/s；相同着靶速度下，8 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积大于6 mm厚碳纤维靶的后效毁伤面积，两者之间的差异随着着靶速度的提高而逐渐减小；破片冲击等厚度碳纤维靶时，破片的后效毁伤能力随着靶速度的提高而增强。
为了研究装药尺寸对压装装药烤燃特性的影响，针对HMX基压装装药，建立了压装装药烤燃过程的计算模型，利用Fluent软件对不同装药尺寸的烤燃样弹进行了数值模拟，计算了不同升温速率下装药尺寸对压装装药点火位置、响应温度和响应时间的影响规律。结果表明：在同一升温速率下，HMX基压装炸药装药长径比为1.0时，装药中心响应温度均为最高；装药长径比大于1.0时，装药中心点火温度均随长径比的增加而降低；当长径比增大到一定程度时，装药中心的响应温度趋于恒值。装药的点火位置由升温速率和装药尺寸共同决定，且装药端面与曲面的传热量之比与长径比的平方成反比。当升温缓慢或长径比较小时，装药的点火位置位于装药中心；当升温速率较高且长径比较大时，装药的点火位置逐渐远离装药中心。
为探究复杂巷道内多爆源瓦斯爆炸传播特性及热冲击动力学机制，运用计算流体力学软件Fluent，以H型巷道为模型，在巷道内设置同侧、相对、对角3种双爆源布置方式。研究发现：巷道内的2处爆源同时起爆后，前驱冲击波沿巷道未燃区传播，当两股冲击波相遇时，压力叠加，冲量抵消，在压力叠加区火焰传播受阻，导致火焰传播速度放缓甚至反向；相较于单爆源爆炸，双爆源工况中导致巷道内特定区域如联络巷、岔口中心及其边壁的压力更高；同侧和对角布置工况下的压力极值区出现在巷道封闭端，相对布置工况下的压力极值区出现在分岔口中心处。
锂电池局部挤压是汽车碰撞引发的主要损伤形式。为了明确锂电池在受到局部挤压时的安全性能，利用自研的机械滥用实验平台，对18650锂电池进行局部压痕实验，以渐进压缩的方式分析其失效过程，得到了失效过程及温度演变规律，讨论了电池荷电状态、加载速度、压痕位置和压头尺寸对电池安全的影响。结果表明：锂电池受局部挤压后有明显的热失控规律，失效后不会立即发生热失控，存在一定的反应时间；电池荷电状态与热失控剧烈程度成正相关，加载速度决定了电池的失效时间；靠近电池负极一端受到损伤时更易引发热失控现象，且受损面积较大时温度更高。实验结果可为锂电池包的安全性设计提供有益的建议。
为了研究精确延时微差起爆对一次成井分层爆破效果的影响，理论计算了层内孔间微差时间，利用LS-DYNA软件，采用JH-2岩石模型，模拟了大直径深孔一次成井爆破中的精确延时分层起爆，分析了井筒岩石的损伤演化过程，试验验证了延期时间参数。结果表明，层间采用18 ms延期时间时，爆破效果最佳。结合理论分析和数值模拟结果确定了一次成井的延期时间方案。井筒的成形大致相似，其特征截面面积相似度在83.4%～96.6%之间。通过理论分析、数值模拟和现场试验获得了一次爆破成井工程的精确延时微差分层爆破方法，具有实际应用价值。
