可调谐的负等效质量密度声学超构材料实验研究

结构简单和宽频响应是负等效质量密度声学超构材料(Acoustic metamaterial,AM)的重要研究目标.本文基于局域共振理论设计了一种结构简单的空心管实验模型,利用声学传输线理论证明其谐振频率与空心管内径密切相关.实验测试的3种不同内径空心管AM的透射曲线分别在1 550 Hz,1 400 Hz和1 300 Hz处出现透射低谷并伴随相位扭折,表明空心管AM在对应的频率附近发生谐振,且符合随内径增大谐振频率降低的理论结果.利用提取参数法实现了3种AM分别在1 143～1 662 Hz,998～1 492 Hz和845～1 352 Hz时的负等效质量密度.通过模拟声场分布阐述了空心管AM负等效质量密度形成的物理机制.空心管结构的提出为设计结构简单、宽频响应负等效质量密度的AM提供了一种可行的模型.     

基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜

声学超材料,是一种用于操纵声波的人工声学结构,具有诸多自然界所不具备的超常物理性质.不同于早期的局域共振声学单元结构,基于希尔伯特分形曲线提出了一种具有低损耗、高折射率的分形声学超材料,给出了分形结构声学单元的进化过程,并运用等效媒质理论,提取了具有亚波长的分形超材料单元的相对折射率、相对阻抗、等效密度及等效模量等材料参数.由于分形结构具有的自相似性和空间折叠特性,所提出的分形超材料具有宽带工作频率响应,为众多应用场合比如声超分辨率成像及声隧穿效应器件提供了候选材料.为检验分形声学超材料特性,应用分形声学超材料设计了梯度折射率分布的声聚焦透镜,并由固体方块阵列仿真对比、实验测量、以及点声源入射等三种手段验证了分形声学超材料参数特性及其聚焦透镜在2~5kHz宽频带内良好的聚焦能力.     

HfO_2多型体的弹性、慢度和热导率及其各向异性研究

本文运用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势和模守赝势研究了四种晶相Hf O2的弹性、慢度和热导率及其各向异性,通过计算得到四种结构的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比.根据泊松比和Pugh模量比分析了四种材料的键合属性;根据弹性各向异性分数比AB,AG和AE以及剪切各向异性因子A1,A2和A3的计算值,说明四种晶相Hf O2是弹性各向异性的;又通过弹性模量的三维立体图形展示了四种晶相Hf O2的弹性各向异性.计算得到的声学波速以及不同晶向上的最小热导率,显示了四种晶相Hf O2声学波速和热导率的大小及其各向异性,并绘出慢度在XY,YZ和ZX平面上的图形.     

单轴应变下CaO和SrO电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究不同单轴应变条件对碱土金属氧化物CaO和SrO晶体材料电子结构和光学性质的影响,采用第一性原理计算方法,利用密度泛函近似理论,对晶体的能带结构、态密度和介电函数进行计算,并利用克喇末-克朗尼格关系得出晶体的光学常数.研究结果表明:无应变时,CaO和SrO晶体是宽禁带且具有直接带隙的绝缘体,施加单轴应变使晶体带隙的宽度变窄,导电性能增强,且单轴压应变对晶体电子结构的影响比拉应变对晶体电子结构影响明显.2种晶体均为各向同性材料,单轴拉应变使静介电常数变大,单轴压应变使静介电常数变小.光子能量在0~15eV时,2种材料折射率、吸收系数和反射率等光学谱的峰位和峰值均受单轴应变的影响较大,单轴拉应变使得各光学谱的峰位向能量低的方向移动,峰值升高;单轴压应变使得光学谱的峰位向能量高的方向移动,峰值降低.同时单轴拉应变使晶体静态介电常数和静折射率增大,压应变使之降低.研究表明单轴应变可以有效调节CaO和SrO的电子结构和光学性质.     

基于平行黏结模型的类岩石材料宏细观参数影响

为了研究材料宏观力学特性与细观参数的关系并进行细观参数标定,将平行黏结模型作为颗粒的接触模型,对颗粒流程序中的细观参数进行正交试验设计,结合室内试验确定类岩石材料的细观参数。结果表明:类岩石材料宏观弹性模量主要由颗粒模量、平行黏结模量以及半径乘子影响;法向黏结强度与切向黏结强度共同影响抗压强度,且不同黏结强度比对裂纹的分布有影响;泊松比主要由颗粒刚度控制,且颗粒刚度越大,剪切裂纹占比越大。物理试验与数值模拟的峰值应力接近,应力-应变曲线基本吻合,裂纹扩展形态一致,表明细观参数结果可靠,为其他岩石材料颗粒流模拟提供借鉴。     

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.     

影响双负材料光子晶体透射峰品质的因素

利用传输矩阵法,研究双负材料光子晶体(CBA)n(ABC)n的透射谱,结果得到:当随着光子晶体重复周期数的增加和入射角的增大,透射峰都向短波方向移动,且带宽都逐渐变窄,透射峰的品质因子都得到逐渐提高;当双负介质C折射率负值的减小,透射峰向长波方向移动,且带宽逐渐变窄,透射峰的品质因子也得到逐渐提高。这些介质厚度对单负材料光子晶体透射峰带宽的影响规律,可为设计光学器件如光学开关等提供理论指导和制备依据。     

螺栓固结界面接触刚度的虚拟材料建模

提出一种基于统计学模型的粗糙接触界面虚拟材料建模方法,将螺栓固结界面等效为局部的虚拟材料,虚拟材料与两侧接触基体固定连接。基于螺栓固结界面粗糙形貌的Greenwood-Williamson统计学模型描述,推导虚拟材料的弹性模量、泊松比、密度和厚度等材料参数的解析表达式,建立虚拟材料的材料参数与粗糙界面属性参数之间的关系式,分析螺栓固结界面的表面粗糙形貌、基体材料属性对虚拟材料的材料参数和界面接触刚度的影响特性。采用模态实验测试和基于虚拟材料的有限元仿真分析方法,验证粗糙接触界面虚拟材料建模方法的准确性。研究结果表明:虚拟材料的材料参数与法向载荷、界面粗糙度和接触基体弹性模量相关:随法向载荷和基体弹性模量的增加,虚拟材料的弹性模量增大,泊松比和厚度减少;随界面粗糙度的增加,弹性模量和泊松比减少,而厚度增大。螺栓固结界面接触刚度随法向载荷增大而递增,随界面粗糙增大而减小。     

复合材料路面板弹性等效模型

利用弹性力学的刚度等效原理,将结构复杂的复合材料路面板简化为材料均匀的正交异性板,建立弹性等效模型,为此类问题的具体分析提供一种简明规范的方法。利用弹性力学理论,首先计算出中间方形管粘结板的各向刚度,将其等效为相同尺寸的正交异性板,由刚度相等,推导出了等效板的杨氏模量、切变模量和泊松比等结构属性的计算公式;在此基础上,将整个路面板等效为正交异性板,建立了等效板的材料属性公式化计算模型;最后,选用一块具体的路面板,利用有限元分析软件ANSYS,建立路面板和等效板的有限元模型。结果表明:从均布荷载作用下两模型的变形比较图可以看出,路面板模型的最大变形为-14.73 mm,等效板模型最大变形为-13.97mm,两者相差5.2%。由于等效板模型对变形作了一定假定,引起板刚度增大,所以计算出的位移减小,其误差是可以接受的,由此证明了弹性等效模型是正确的。     

兴教寺玄奘塔频域地震响应分析

为了研究兴教寺玄奘塔在地震作用下的动力响应,考虑了地震作用的随机性并引入地基阻抗系数,分析了砖石古塔与地基相互作用系统频域响应的计算模型,通过线性等效的方法,推导了结构响应的功率谱密度函数。并结合玄奘塔的场地与地基条件,建立了玄奘塔地基与结构相互作用体系的计算模型,按场地条件输入三向地震波,计算了结构的频域动力响应,给出了各楼层顶的位移放大系数及加速度功率谱。结果表明,影响玄奘塔位移放大系数及加速度功率谱响应的频带均较宽,其中南北方向及竖向位移响应、底层的竖向加速度的频域响应具有两个峰值,且响应的峰值所在的楼层为第3层及顶层。因此,玄奘塔在地震作用下结构的危险截面位于3层及顶层,与砖石古塔的历史震害规律一致。     

二氧化锡量子点的制备及其光学性质

利用水热法制备了二氧化锡量子点,其粒径分布为4～7nm.高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察结果发现各种粒径的量子点均有良好的分散性;室温光致发光(PL)谱显示不同粒径的量子点在600nm处都有一个宽的发光峰,分析结果表明该发光峰与样品中的氧空位缺陷有关;样品的低频拉曼光谱显示在38cm-1处有一对称的声学声子拉曼峰,该峰随着样品尺寸的减小向高频方向移动.     

钒掺杂SnO2材料的电子结构和光学性质

基于密度泛函理论采用全势线性缀加平面波方法计算V掺杂SnO2后的电子态密度、能带结构、介电函数和吸收系数。结果表明:由于V的掺入,晶胞SnO2费米能级向导带方向移动,在费米能级附近形成新的电子占据态,出现杂质能带,这是由V-3d态和O-2p态电子杂化所形成;介电谱在0～3.0 eV之间时出现3个新的介电峰,在高能区介电谱主峰位置发生蓝移,峰值强度减少;吸收谱发生展宽,吸收谱与介电谱的峰相对应。     

空位缺陷对CrSi_2光电性能的影响

采用第一性原理方法,计算含空位缺陷CrSi2的电子结构和光学性质,并分析含Cr和Si空位缺陷的CrSi2光电性能.结果表明:Cr和Si空位均使CrSi2的晶格常数和体积变小;能带结构密集而平缓,且整体向上移动,Si空位缺陷形成带隙宽度为0.35eV的p型间接带隙半导体,Cr空位缺陷在原禁带间出现两条新的能带;含空位缺陷CrSi2的电子态密度仍主要由Cr3d层电子贡献,Si空位缺陷对电子态密度的影响较小,Cr空位缺陷提高了Fermi面处的电子态密度;与CrSi2相比,含空位缺陷CrSi2的介电峰均向低能方向略有偏移且峰值降低,吸收系数明显变小.     

占空比对高频CO2激光脉冲制作的LPFG光谱影响

文章对采用高频CO2激光脉冲写入的长周期光纤光栅(LPFG)的透射谱进行了理论分析,把LPFG的折射率调制类型近似为倒三角波,研究了其谐振波长与占空比的变化关系,发现高阶包层模与低阶包层模具有完全不同的特点,在参数变化时两者的谐振波长向相反的方向移动.通过实际制作周期500 μm的光栅验证了这种差别.     

斜磁场作用下抛物量子点的折射率系数变化规律研究

本文首先使用有效质量近似的方法研究了在斜磁场作用下各向异性抛物量子点系统,并求得了系统的能级与波函数。然后运用密度矩阵与迭代的方法得到系统的线性、非线性以及总的折射率改变的表达式,使用典型的GaAs材料来进行数值计算。计算结果表明,磁场的倾斜角度以及系统参数对于总的折射率系数的改变有较大的影响,随着磁场倾斜角度的增加,总的光折射率系数改变的峰值却在减少,并且向着高能量方向移动;然而随着系统结构参数的增加,总的光折射率系数改变却在不断的增加。     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

浅谈空气间隔对片状放大器非线性增益的影响

从非线性Schr(O)dinger方程出发,根据线性的近似分析方法,通过把介质片厚度和片间空气间隔转化为线性与非线性传输距离比讨论了系统B积分值和空气间隔对非线性增益谱的影响,并着重分析了非线性增益最低频的峰和零点位置随B积分值与激光介质片数的变化规律.其他参数不变的情况下,片间空气间隔的增大,使增益谱向长波方向移动,而介质片数则对增益谱的最高增益和谱线位置都有影响.同时,对这一现象做了无空气间隔的等效处理.     

第一性原理研究高温高压下TiB2的物理性质

采用第一原理方法计算TiB_2在高温高压下的物理性质.对结构参数、弹性常数、体积模量、能带结构、声子色散、热力学性质等进行了密度泛函理论计算.计算结果与其他实验和理论计算值吻合较好.通过对E-V曲线、声子色散曲线和态密度(DOS)的分析,证明TiB_2是机械稳定的.用B/G和泊松比的两种方法判断TiB_2为脆性材料.在准谐振德拜模型的基础上,计算分析了德拜温度Θ和热膨胀系数对温度和压强的依赖.并从不同压强下定容比热容随温度变化的曲线图中得出,在T=1300 K以后,c_V无限靠近Dulong-Petit极限.通过分析电子态密度,发现TiB_2具有金属性,并且随着压强的增大费米能级处峰值降低,赝能隙变宽,非局域化加大,共价键作用增强,从而也证明了晶体结构的稳定性.     

Eu掺杂MgO电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究稀土元素掺杂对金属氧化物MgO晶体材料电子结构和光学性质的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算Eu原子掺杂MgO晶体的几何结构、能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:掺杂后体系的带隙宽度减小,费米面向导带偏移,属于直接禁带半导体.掺杂稀土元素对体系的静态介电常数、晶体反射率、光吸收系数、折射率和能量损失函数具有重要的调制作用.掺杂前后晶体的光学性质,包括晶体吸收系数、反射率、折射率和能量损失函数的曲线峰值均较掺杂前的峰值有所降低,且曲线整体有向低能方向移动的趋势.     

多态反共振协同型薄膜声学超材料低频隔声性能

针对普通声学材料无法有效衰减车内低频噪声的问题,提出一种摆臂式轻质薄膜型声学超材料结构设计形式,通过在子单胞内引入多态反共振模式实现了低频隔声频带的拓宽及隔声量的提高。该超材料以柔性乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)材料作为框架,并将4个金属薄片和1个十字形EVA摆臂贴附在0.2 mm厚的聚酰亚胺(PI)薄膜表面构造成谐振部分。通过对超单胞的声传递损失(STL)、多态反共振模式和负等效参数的分析,揭示了STL带宽的拓宽机理;基于超单胞结构衍生设计了大尺寸的柔性隔声超材料,并将大尺寸超材料样件装配到汽车发动机机罩内进行实车降噪测试,通过"混响室-消声室"隔声实验和实车降噪测试进一步预估了超材料对低频噪声的衰减能力。研究结果表明:子单胞间的多态反共振协同模式能调制超单胞处于连续的动态平衡状态,促使低频入射与反射声波相互抵消,从而改善了隔声带宽和隔声量;所设计的超材料可使车内1 kHz以下的发动机噪声平均衰减达3 dB(A),为低频宽带隔声材料的设计提供了一种新的思路,在控制低频噪声方面具有潜在的工程化应用前景。