世界研究开发动态与评论

美科学家在量子计算机领域获新突破美国俄亥俄州立大学研究人员说,他们成功地使相干激光在玻璃芯片上构成了一个个“原子陷阱”,理论上每个“原子陷阱”能捕捉一个气态铷原子。研究人员说,这一进展向将来设计建造量子计算机前进了一大步。俄亥俄州立大学副教授格雷格·拉菲亚蒂斯等人在《物理评论A》杂志上发表论文说,当前制造量子计算机的一个思路是首先将原子捕捉住,这样就能通过激光操作来读写量子状态。其他研究人员在实现这一思路时,都试图用自由空间的一个封闭“笼子”来捕捉原子,但目前在实践上要操作“笼子”中的原子有一定困难。…     

稀土闪烁晶体研究进展

稀土闪烁晶体能够将高能射线/粒子转换为紫外或可见荧光脉冲,是核辐射探测的关键材料.从元素组成出发,将稀土闪烁晶体分为卤化物和氧化物两大类,总结了典型稀土闪烁晶体的基本闪烁性能及结晶学结构特征.稀土离子独特的4f电子结构使其具有优异的发光性能.一方面,具有完全自旋宇称允许的5d→4f跃迁的稀土离子Ce~(3+),Pr~(3+),Eu~(2+)可作为闪烁晶体的发光中心,能够有效提高闪烁响应能力.稀土离子4f轨道被外部5s25p6轨道屏蔽,受外界环境影响较小,而5d轨道裸露在外,与周围环境相互作用较强,稀土闪烁晶体的组成和结构特性决定了其闪烁性能.另一方面,Y~(3+),La~(3+)(4f~0),Lu~(3+)(4f~(14))属于光学惰性稀土离子,是基质材料的理想化学组成.结合稀土卤化物、稀土铝酸盐、稀土硅酸盐等典型稀土闪烁晶体的组成设计和大块晶体生长进展,以及针对我国闪烁晶体专利保护特点和发展中存在的问题,展望了稀土闪烁晶体的未来发展方向.     

汽车制动过程中摩擦层结构的发展及其对摩擦性能的影响

汽车制动过程中摩擦材料和摩擦盘表面形成摩擦层,摩擦层的组成和结构与摩擦材料的本体组成和结构不同.摩擦层结构的生成与破坏过程即摩擦层结构的发展是理解摩擦材料组成和摩擦性能关系的桥梁.本文综述了汽车制动过程中摩擦层形成的两种主要机理：磨屑聚集和物质选择性转移,分析了这两种机理在摩擦材料表面形成摩擦层结构生成与破坏的发展过程,讨论了摩擦层结构发展对摩擦系数和磨损率的影响.     

无机功能晶体材料的结晶过程研究

功能晶体材料作为光、声、电等转换的重要介质,已经被广泛应用于能源、信息、航空航天等高新技术领域,是目前国际材料科学与工程学科发展的热点和前沿课题.结晶过程是制备功能材料的核心环节,结晶习性直接影响材料的光、电、磁、催化等功能特性.在无机材料的结晶过程中,晶体组成在微观上经历了从自由态离子到结晶态固体的相变过程.可以借助晶体组成离子的电负性及基团微观对称性的变化,研究结晶过程中聚集体的形成和结构演变规律.利用分子振动光谱能够从分子尺度上揭示非线性光学晶体材料在水溶液结晶过程中结晶学结构的形成过程,克服了传统原位观测手段中缺乏对非长程有序结构的确定.利用结晶生长的化学键合理论从热力学和动力学两个方面指导大块晶体的生长实践,合理调控晶体的生长表/界面热力学和动力学.将结晶生长的化学键合理论应用到大尺寸晶体提拉生长参数的设计和优化,成功搭建了大尺寸晶体智能生长系统,并成功生长了φ2″蓝宝石晶体、φ3″YAG晶体和φ4″铌酸锂晶体.     

明辨材料的“性质”与“性能”

遵循古训“博学，审问，慎思，明辨，笃行”，尝试学、问、思，藉以辨明“性质”与“性能”之间的区别，这对于理解和控制材料的性能、发挥环境的作用，是有益的；对发挥人才的才能和事物的功能也有参考意义。     

电光调Q晶体研究进展

电光调Q激光系统由于峰值功率高,在医疗、美容、测量、加工以及军工等领域得到了广泛应用,而电光调Q晶体是获得高峰值功率激光脉冲输出的核心光电材料,随着短脉冲、高重率、大功率激光系统的应用需求发展和技术进步,对电光调Q晶体的性能要求也不断提高.本文对目前常用的电光调Q晶体的基本特性、晶体制备技术和电光调Q应用技术等研究进展进行了综述,主要包括铌酸锂晶体、磷酸二氘钾晶体、低温相偏硼酸钡晶体、磷酸氧钛铷晶体和硅酸镓镧晶体等,认为实用化的电光调Q晶体材料研究和开发工作亟待突破,在相当长一段时期内,电光系数高、激光损伤阈值高、性能稳定、温度适用性高和成本低的电光晶体材料探索仍然是晶体材料研究领域的重要课题.     

振动工况下磨料磨损试验研究

设计了一台振动磨料磨损试验机，进行动载荷作用下磨料磨损研究试验。本试验针对45#钢和42CrMo两种材料在不同形状规格和不同磨料下，改变振动频率来研究振动对两种材料磨损量的影响，通过试验数据得出关系曲线，并对其进行理论分析。试验结果表明：振动对磨料磨损的影响不容忽视。在低频振动范围内，对45#钢并非振动频率越高磨损量越多，而是有一个分界点；而对于42CrMo而言，在f〉2．5Hz时还出现振动减磨的情况：     

电催化剂Pt的原子状态和性质

依据纯金属单原子理论(OA)确定了面心立方结构(fcc)电催化剂Pt的原子状态为[Xe](5d_n)^6.48 (5d_c)^2.02 (6s_c)^1.48(6s_f)^{0.02, 并对金属Pt的密排六方结构(hcp)和体心立方结构(bcc)初态特征晶体及初态液体的原子状态进行了研究, 在此基础上解释了Pt的原子状态与晶体结构、催化性能、导电性的关系, 并通过计算得到了fcc-Pt的势能曲线、体弹性模量和热膨胀系数随温度变化的曲线.}     

反应合成Ag(111)/SnO2(200)复合材料界面结构的DFT研究

根据 HTEM 原位观察的 Ag/SnO₂ 电接触材料的两相界面结构, 建立了 Ag(111)/ SnO₂(200)界面结构模型. 原子驰豫位移的计算结果显示, 驰豫引起界面原子严重错排, 破坏了点阵周期性排列. 界面区的O与Ag原子为达到稳定结构而彼此有靠近的趋势, 界面的结构驰豫是材料系统降低能量的一种方式. 界面附近态密度表明界面对材料的导电性有很大影响, 界面 O 原子的存在引起了材料导电性下降. 界面区域电子云和布居分析表明, 在Ag/SnO₂界面结构中未形成 AgxOy 化合物, 且界面会导致电荷分布不均匀, 在整个材料系统内形成微电场, 影响电子传输和材料的导电性. 计算显示 Ag(111)/SnO₂(200)界面结合较强, 界面结合能约为−3.50 J/m².     

森林凋落物堆积层导热性影响因素探究

森林凋落物堆积层的导热性对林地生态和森林防火有重要影响。为确定其作用程度,设计了交叉热线法实验装置测定了体系温度、湿度、凋落层结构对凋落物导热性能的影响:在温度为0℃~50℃、湿度为0%~100%的静风条件下,凋落物层的导热性能随着温度、湿度的增加而变大,随着空隙率的增大而显著减小,变化呈现线性关系;其表观导热系数在0.048~0.087 W/(m·K)范围内,并且各因素互相关联,其中空隙率的影响最大;进一步分析发现,凋落物层导热性能对体系的热量平衡过程以及自燃发火具有显著影响,可为凋落物的继续研究和森林防火管理提供新思路。     

碳/玻璃纤维混合编织网增强混凝土电热性能的数值模拟与试验研究

碳/玻璃纤维混合编织网增强混凝土是一种新型纤维增强水泥基复合材料,不仅具有良好的力学性能,而且具有优异的导电性能。本文进行了碳/玻璃纤维混合编织网增强混凝小板电热升温试验,并建立数学模型,采用有限元进行数值模拟,得到了不同环境温度、导热层厚度、输入功率条件下小板表面的温度变化规律,并进行了有无隔热层情况的对比。结果表明：碳/玻璃纤维混合编织网增强混凝土通电后可以形成良好的导电加热网络,产生热量使混凝土温度升高,升温过程中电阻率十分稳定,数值分析结果与实验结果吻合较好。通过野外融雪试验,验证了该材料良好的电热融雪效果。利用碳/玻璃纤维混合编织网增强混凝土的电热性能,可以实现安全、环保、高效的融雪化冰。     

基于机器学习的工模具钢硬度预测

硬度是工模具钢性能的一个重要指标.本文通过机器学习中的层次聚类和LASSO回归方法,给出了工模具钢硬度-成分关系的解析表达式.层次聚类将79种牌号工模具钢的合金元素成分-硬度数据集按欧式距离分为了4簇,其中高铬钢和低铬钢两簇包含了几乎所有的数据.然后我们对高铬钢和低铬钢两簇数据分别进行LASSO回归,画出LASSO路径,并利用留一法交叉验证得到具有最佳泛化预测能力的成分-硬度的解析公式.之后引入电负性、原子半径变化率、价电子数、电子亲合能和第一电离能等原子尺度的特征,重新进行LASSO回归,得到了新的硬度公式.结果显示机器学习方法可以成功预报工模具钢的硬度.同时,使用原子尺度的特征为钢铁材料的性能研究提供了新的思路.     

新型道路修补材料研制及微观分析

利用X-射线、电镜和差热分析等方法对明矾石的物理和化学性质进行了分析，通过对明矾石进行加工处理，研制出一种含有明矾石的新型道路修补材料，该材料与水泥基材料具有相似的性能和较好的相容性，为明矾石的开发利用提供了一个新的方法和途径。     

2—2结构压电复合材料的机电耦合系数研究

对２－２结构的压电复合材料提出一种动态模型，求解沿界面传播的平面波，获得这平面波传播的色散曲线。取换能器厚度为半波长或其奇数倍，换能器的谐振，反谐振频率及高次谐振频率的实验值与理论色散曲线相吻合。由动态模型可求得压电复合材料厚度振动的机电耦合系数随两仃材料的宽厚比和体积比的变化。     

驻极体式微型发电机的研究进展

随着电子系统的尺寸不断减小,研制体积小、重量轻、能量密度高并且能够持续供能的微型发电机将对电子系统具有重要意义．振动能在日常环境中广泛存在,振动能微型发电机是将振动能转化成能给电子系统供能的装置．驻极体式微型发电机是振动能采集微型发电机的一种,是目前微能源研究的热点之一．本文主要从驻极体材料及注极方法、振动能拾取方式和转换效率的提高3个方面介绍了驻极体式微型发电机的最新进展．     

α-铁和钒中级联碰撞的分子动力学模拟研究

低活化铁素体／马氏体钢（α-Fe）和钒合金都是重要的聚变堆第一壁候选结构材料．在高能中子辐照条件下，第一壁材料中缺陷的产生和微结构的演化极大地影响着其使用性能，因此相关研究具有重要意义．本文应用分子动力学方法详细模拟研究了BCC结构的α-铁和钒在辐照环境中的离位级联碰撞及其缺陷结构演化过程，发现铁和钒中的自间隙原子和空位缺陷数目有类似的变化规律，即在级联碰撞最初极短的时间内自间隙原子和空位缺陷数目就达到最大值，随后自间隙原子和缺陷发生复合并在2 ps内迅速减少，平衡后仅有少量弗兰克尔缺陷对存在．研究还发现提高温度和增大初级离位原子的能量都将延迟级联碰撞热峰的出现时间，并使热峰出现时的缺陷数目增多．两种材料的不同之处是在铁中进行的级联碰撞过程比钒中的更加剧烈，且铁中自间隙原子的稳定结构为〈110〉方向排列的哑铃状结构，在扩散迁移时旋转至〈111〉方向并以挤列子的形式沿着〈111〉方向迁移，最后又旋转至稳定的〈110〉方向；而在钒中自间隙原子的稳定结构为〈111〉方向排列的哑铃状结构，并很容易以挤列子的形式沿着〈111〉扩散．     

科学历史的启迪

十九世纪末物理天空中那两朵著名的“乌云”来源于当时的经济结构的生长点之上，类似地，20世纪末，迅速发展的信息技术，生物技术和材料科学，这三个当前经济结构中的生长点之上，也可以看到现今的物理天空中也存在着好几朵“乌云”，如：手征性，晶体分类的时空背景的两重性，生物密码三维结构的左手四重性，等等。再联系到量子力学基础研究中的最新进展，作者根据三十多年探索，认为这一切皆导致复合时空论，在此基础上，可导致科学中的重大突破。     

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人（NEZA-I）.NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合（Transformable wheel-track,TWT）移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式（即＂轮式-履带式互换＂）和调整运动姿态（即＂改变履带几何形状＂）.本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明：NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.     

导热优化的“树网”构造法的改进

对基于构形理论的“树网”构造法进行了重新分析, 将各级构造体必须由最优的上一级构造体组成的前提去掉, 对高效导热通道分布进行了重新优化, 证明了“树网”构造法是不完善的, 得到了更优化的结构以及在两种导热材料的导热系数及体积比一定时的极限最小热阻等结论.     

基于负磁导率电磁材料的WPT效率提升研究

为提高无线电能传输(wireless power transfer, WPT)系统的传输效率,提出一种由六边形双层螺旋线圈阵列构成的蜂巢结构的负磁导率人工电磁材料(negative permeability metamaterials, NPM).通过对NPM基本单元的参数优化,将其负磁导率工作频率调节至6.78 MHz.仿真表明了该NPM的磁场再聚焦及增强特性,实验测得NPM在6.2～6.7 MHz频段处其磁导率为负.搭建了一个两线圈结构的WPT系统,验证了该NPM的传输效率提升性能及在WPT系统中的结构、位置特性.结果表明:两层结构的NPM在WPT系统的中间位置具有最优的效率提升效果,可将传输距离为30 cm的WPT系统的传输效率从1%提升到12.5%.