层状晶体中格林乃森参量随温度变化规律的研究

应用热力学理论导出了层状晶体的格林乃森参量与膨胀系数的相互关系，并以石墨为例，研究了格林乃森参量随温度的变化规律。结果表明：层状晶体与一般晶体不同，尽管它们的格林乃森参量都随温度升高而增大，但层状晶体变化较大，如石墨在50－200K范围内可增加85％，而一般晶体则变化很小，大致在5％左右；对层状晶体，由于振动的膜效应，使得沿平面层方向的格林乃森参量在某些温度范围内出现负值，而一般晶体的格林乃森参量总为正值。     

Yb:YAG晶体光谱的温度特性

通过测量不同温度下Yb：YAG晶体的吸收光谱和低温光谱发现，即使在低温下，Yb：YAG晶体也具有非常丰富的吸收带和发射带，这主要是由于Yb的4f电子所受屏蔽较少，易于与周围晶格产生较强的相互作用，并且YAG基质有非常丰富的声子振动峰，当两个Strak能级的间隔与晶格声子振动能量相匹配时，一个强的振动结构就会出现．Yb：YAG晶体低温下的选择激发荧光光谱进一步表明了Yb^3＋离子强的电子一声子耦合作用的存在．这种作用也导致了Yb：YAG晶体零声子线的温度展宽和线移．当温度从8K升温到300K时，零声子线从6．3cm^-1展宽到42cm^-1．随温度升高，零声子线逐渐红移，300K时，零声子线相对于8K时向长波移动了约8cm^-1．     

低温下金属热膨胀系数的同位素效应

以Cu为例，在考虑德拜温度随温度，原子质量变化后，利用统计物理理论对低温下的金属热膨胀系数及其同位素效应进行了定量的探讨，结果表明；同位素各组分含量对金属热膨胀系数的影响随温度，组分含量而变化，该变化可以定理求出；温度较低时变化较快，较高时较慢。     

Yb∶YAG晶体光谱的温度特性

通过测量不同温度下Yb∶YAG晶体的吸收光谱和低温光谱发现,即使在低温下,Yb∶YAG晶体也具有非常丰富的吸收带和发射带,这主要是由于Yb的4 f电子所受屏蔽较少,易于与周围晶格产生较强的相互作用,并且YAG基质有非常丰富的声子振动峰,当两个Strak能级的间隔与晶格声子振动能量相匹配时,一个强的振动结构就会出现.Yb∶YAG晶体低温下的选择激发荧光光谱进一步表明了Yb3+离子强的电子-声子耦合作用的存在.这种作用也导致了Yb∶YAG晶体零声子线的温度展宽和线移.当温度从8 K升温到300 K时,零声子线从6.3 cm-1展宽到42 cm-1.随温度升高,零声子线逐渐红移,300 K时,零声子线相对于8K时向长波移动了约8 cm-1.     

线度和非简谐效应对Ag纳米晶热力学性质的影响

应用固体物理和统计物理的理论,考虑原子作非简谐振动,从微观角度研究了Ag纳米晶的热膨胀系数、格林乃森常数、化学势等随温度的变化规律.结果表明:①在简谐近似下,Ag纳米晶不会有热膨胀,其格林乃森常数为零,非简谐效应导致热膨胀系数和格林乃森常数都随着温度升高而增大,但变化较慢.②球形Ag纳米晶的化学势大于平面块状晶体的化学势,且粒子线度愈小,两者相差愈大;其中,由界面弯曲引起的化学势修正μ′e随粒径的减小而增大,粒径较大时,μ′e将不变.③球形Ag纳米晶受温度的影响大于平面块状晶体,总化学势随温度升高而减小,但变化缓慢,由界面弯曲引起的化学势修正μ′e随温度升高而增大,且温度愈高,μ′e的变化速度愈快.④非简谐效应影响纳米晶热力学性质的本质在于它改变了原子的相互作用势形式和总相互作用能.     

Mg_2Si热电特性的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Mg_2Si晶体中原子间的相互作用势能、电子的能带结构、声子谱、声子态密度和热力学参数.计算结果表明:当Mg_2Si晶体中各原子处在平衡位置时,Mg-Mg键的势能最大,其次为Mg-Si键,Si-Si键最小,Mg_2Si晶体禁带宽度为0.217eV,属于间接带隙半导体,通过振动频谱及声子态密度图可知,存在9条色散关系曲线,其中3条为声学波,6条为光学波,且频率在280cm~(-1)附近的格波振动较强.随着温度的增加,熵、内能均增加,而亥姆霍兹自由能减少.当温度低于200K时,比热容随着温度的增加显著增加,在低温范围内符合德拜模型.当温度高于400K时,比热容符合爱因斯坦模型,其值接近于常数CV=74.8J·mol/K.     

金属Ti热学性质第一原理研究

应用基于密度泛函与密度泛函微扰理论的平面波赝势方法计算一组不同晶格常数下六角密堆积(hcp)结构金属Ti的声子谱及相应的静态总能,由此得到不同晶格常数下的自由能,由准谐近似及自由能极小判据得到自由能与温度的关系,进而计算热膨胀系数、定容摩尔热容及定压摩尔热容与温度的关系,对热膨胀系数及定容摩尔热容的第一原理计算值与德拜理论计算值进行比较。结果表明:295 K下声子谱理论值与实验值除在[001]方向上的光学纵模有少量偏差外,其余部分符合得很好;hcp结构金属Ti有一定程度的各向异性热膨胀,沿c轴方向与a轴方向的热膨胀系数比值为1.5左右;热膨胀系数、定容摩尔热容及定压摩尔热容第一原理计算值在较宽的温度范围内与已有的实验数据相符;热膨胀系数的德拜理论值仅在室温以下温区与实验结果相符;定容摩尔热容的第一原理计算值与德拜理论值在中温区有少量偏差,在低温及高温区非常接近。     

变曲率平面拱的自由振动分析

基于Euler-Bernoulli梁理论和传递矩阵法(TMM),研究变曲率平面拱的自由振动问题.考虑拱轴线的曲率沿张角呈线性变化,将变曲率平面拱在弧线方向离散成多个曲拱单元,用TMM推导单元传递矩阵和变曲率平面拱的自由振动特征方程.求解不同边界条件下变曲率平面拱自由振动的固有频率,考虑曲率变化系数对于拱的自由振动频率的影响,将求得的两端固定圆弧拱的结果与现有文献作了比较,证明TMM对求解该问题的有效性.结果表明,当拱轴线的曲率沿张角呈线性变化,不同边界条件下变曲率平面拱各阶自由振动频率随曲率变化系数的增大而增大,且相同曲率变化系数增幅下随自由振动频率阶数的提高,自由振动频率的增幅也在加大.     

关于晶体材料表面导热性质的研究

目的研究晶体材料表面层中的导热问题。方法从偏离理想边界条件将导致格波之间发生能量交换，进而限制声子平均自由程这个方向出发，利用德拜固体比热理论，对理想边界条件下的固体内部导热系数进行剖析。结果理论推导出与实验事实相符的晶体表面导热系数随温度的变化规律。结论理论模型比较成功，为晶体材料表面层中的导热问题提供了有力的理论依据。     

点缺陷对B2-NiAl力学与热学性能影响的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,计算了反位缺陷与空位对B2-NiAl力学与热学性能的影响．采用杨氏模量、剪切模量、弹性常数、Cahchy压力、泊松比、Debye温度、比热、热膨胀系数等参数评判反位缺陷与空位对B2-NiAl合金的延性、硬度及热学性能的影响．结果表明：NiAl,VNi均能提高B2-NiAl晶体的硬度而降低其本征延性,AlNi与vAl对晶体力学性能的影响可以忽略不计．点缺陷对晶体比热的影响均集中在Debye温度以下,在此温度范围内,4种点缺陷均能降低晶体的比热,降幅从高到低依次为VNi〉NiAl〉A1Ni〉VAl．而当温度高于1000K时,4种点缺陷对晶体比热的影响基本消失而使比热趋于同一数值25J／mol·K．当温度高于600K时,对晶体相对热膨胀系数影响较明显的点缺陷是vAl,与NiM前者使晶体的相对热膨胀系数提高,而后者使晶体的相对热膨胀系数降低．     

碳纳米管和硼纳米管热膨胀性能的第一性原理研究

采用密度泛函及分子动力学理论,对碳纳米管和硼纳米管的热膨胀性能进行了研究.研究发现小管径的硼纳来管具有出较好的反膨胀性能,硼纳米管的反膨胀性能与管径的关系和碳管的结果不同.低温下,硼六边形中心的硼原子的横向振动模式可能是其反膨胀性能的主要原因.小管径的硼纳米管的反膨胀性能可以和碳纳米管的性能相比较,表明小管径的硼纳米管在反膨胀领域具有很高的应用前景.     

铜在铍晶体中扩散系数和浓度分布的理论研究

惯性约束聚变实验中铜在铍晶体中的扩散是影响靶丸性能的重要因素. 采用分子动力学方法研究了铜在铍晶体中的扩散系数，并分析了铜在铍晶体中扩散浓度和深度的关系. 研究结果表明在低温区域铜掺杂浓度较大的体系中扩散系数明显较大. 当铜掺杂浓度为1.0 at%时其扩散系数与实验符合很好. 在靶丸热解条件下使用扩散方程得到铜原子扩散浓度和深度分别为0.06 at%和6.2 um. 10 um厚的0.5 at%铜掺杂层可以降低铜在铍晶体中扩散的深度. 这些研究能为制备性能更高的靶丸提供有用的帮助.     

高温影响下页岩岩石的声学特性实验研究

以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,研究了高温处理后页岩岩样物理性质的变化规律,讨论了温度对页岩岩石声波特性的影响,同时,也研究了高温影响下页岩岩石动弹性参数的变化规律。研究结果表明,当作用温度低于400℃时,温度对页岩表观颜色和物理性质影响较小,而当作用温度超过400℃时,页岩表观颜色逐渐由黑色变为灰白色,且页岩质量下降快、体积膨胀率上升快,造成页岩密度下降快;随着温度增加,页岩声波速度不断下降,且声波主频不断下降,而页岩声波衰减系数不断增大,且声波衰减系数对页岩热损伤效应的敏感性更强;随着温度增加,页岩损伤因子增大,同时,页岩动态泊松比也呈增大趋势,而页岩动态弹性模量、体积模量、剪切模量呈下降趋势。     

Mechanism of diamond-to-graphite transformation at diamond-stable conditions

The diamond-to-graphite transformation at diamond-stable conditions is studied by temperature gradient method （TGM） under high pressure and high temperature （HPHT）, although it is unreasonable from the view of thermodynamic considerations. It is found that, at diamond-stable conditions, for example, at 5.5 GPa and 1550 K, with fine diamond grits as carbon source and NiMnCo alloy as metal solvent assisted, not only large diamond crystals, but metastable regrown graphite crystals would be grown by layer growth mechanism, and the abundance of carbon source in the higher temperature region is indispensable for the presence of metastable regrown graphite crystals. From this transformation, it is concluded that, with metal solvent assisted, although the mechanism of crystal growth could be understood by the macro-mechanism of solubility difference between diamond and graphite in metal solvents, from the point of micro-mechanism, the minimum growth units for diamond or graphite crystals should be at atomic level and unrelated to the kinds of carbon source （diamond or graphite）, which could be accumulated free-selectively on the graphite with Sp2Tr or diamond crystals with sp3 bond structure.     

ZnS类石墨烯热膨胀系数、弹性模量以及有效电荷变化规律研究

考虑到形变和原子的非简谐振动,用固体物理方法,研究了ZnS类石墨烯的热膨胀系数和弹性模量随温度的变化规律以及有效电荷和极性与形变的关系,探讨了形变和原子非简谐振动对它们的影响.结果表明:①ZnS类石墨烯的热膨胀系数为负值,数值在1.178×10~(-3)～22.323×10~(-3)K~(-1)之间随着温度升高而增大;而弹性模量在0.241 405～453.253 5 GPa之间随着温度的升高而增大.②简谐近似下,热膨胀系数为零,弹性模量为常量;考虑非简谐项后它们才随温度升高而变化,温度愈高,非简谐效应愈显著.③大小形变、剪切形变、单轴形变这3种形变中,大小形变对正有效电荷、单轴形变对负有效电荷影响最大,剪切形变对正、负有效电荷影响最小;④大小形变对极性的影响可达到70.4%,而剪切形变的影响仅为46.5%.     

热膨胀系数同弹性模量数学模型分析

为满足超精密加工对精度的要求，从机理角度分析了材料的热膨胀系数和弹性模量，建立了二者关系的数学模型。结果表明：材料热膨胀和材料弹性模量的物理本质都同原子间作用力密勿相关，只是二者的原子间发生作用的起固有别。材料的热膨胀是因温度升高，原子振幅加大，引起原子间斥力增加，平衡距离加大，原子间仍是平衡状态；而弹性模量是两原子受到外力作用，偏离平衡位置，双子间是引力(斥力)状态，该引力(斥力)值同外界作用力平衡。     

钇基重稀土蠕墨铸铁的高温性能研究

利用钇基重稀土资源熔炼蠕墨铸铁,探讨高温条件下灰铸铁和蠕墨铸铁的抗拉强度、氧化增重值、伸长百分率、耐热疲劳性和线性膨胀系数等性能,同时用数理统计的方法推导出两种铸件线性膨胀系数的回归方程.结果表明:高温下蠕墨铸铁的断裂性质为韧窝断裂,其高温抗拉强度明显比灰铸铁高;蠕墨铸铁的抗氧化性和抗生长性均比灰铸铁好而导热系数与灰铸铁相近;灰铸铁和蠕墨铸铁的线性膨胀系数相近,但灰铸铁的相变收缩要比蠕墨铸铁强烈得多.     

Zero thermal expansion in YbGaGe due to an electronic valence transition

Most materials expand upon heating. Although rare, some materials expand on cooling, and are said to exhibit negative thermal expansion (NTE); but the property is exhibited in only one crystallographic direction. Such materials include silicon and germanium at very low temperature (<100 K) and, at room temperature, glasses in the titania-silica family, Kevlar, carbon fibres, anisotropic Invar Fe-Ni alloys, ZrW2O3 (ref. 4) and certain molecular networks. NTE materials can be combined with materials demonstrating a positive thermal expansion coefficient to fabricate composites exhibiting an overall zero thermal expansion (ZTE). ZTE materials are useful because they do not undergo thermal shock on rapid heating or cooling. The need for such composites could be avoided if ZTE materials were available in a pure form. Here we show that an electrically conductive intermetallic compound, YbGaGe, can exhibit nearly ZTE--that is, negligible volume change between 100 and 400 K. We suggest that this response is due to a temperature-induced valence transition in the Yb atoms. ZTE materials are desirable to prevent or reduce resulting strain or internal stresses in systems subject to large temperature fluctuations, such as in space applications and thermomechanical actuators.     

Effect of 6H-SiC crystal growth shapes on thermo-elastic stress in the growing crystal

The effect of 6H-SiC crystal growth shapes on the thermo-elastic stress distribution in the growing crystal was systematically investigated by using a finite element method. The thermo-elastic stress distribution in the crystal with a flat growth shape was more homogeneous than that in the crystals with concave and convex growth shapes, and the value of thermo-elasticity in the crystal with a flat growth shape was also smaller than that in the two other types of crystals. The maximum values of thermo-elastic stress appeared at interfaces between the crystal and the graphite lid. If the lid was of the same properties as 6H-SiC, the thermo-elastic stress would decrease in two orders of magnitude. Thus, to grow 6H-SiC single crystals of high quality, a transition layer of SiC formed by deposition or reaction is suggested; meanwhile the thermal field in the growth chamber should be adjusted to maintain the crystals with flat growth shapes.