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石墨烯晶界结构的演化规律及其位错运动机制的研究对理解石墨烯的塑性变形行为具有重要意义, 目前对于在非机械作用下石墨烯晶界的动力学行为已得到广泛研究, 但由于已有实验条件和模拟方法在时间和空间尺度方面的限制, 关于机械拉伸载荷作用下石墨烯位错动态演化过程及塑性变形问题仍知之甚少. 本文基于晶体相场模型, 研究了在单轴拉伸载荷作用下石墨烯晶界环的动力学演化过程. 模拟研究结果表明, 当外加应变低于临界值时, 石墨烯体系处于弹性响应阶段, 5|7位错核心区域的应变振幅随着外加载荷的增大而减小; 而当应变达到临界值时, 体系发生弹-塑性转变, 晶界环处5|7位错通过C—C键旋转, 转变为5|7|7|5位错, 此时位错核心区域的应变振幅增大, 标志着体系塑性变形的启动; 当应变超过临界值后, 体系进入塑性变形阶段, 晶界环呈现出3种特征性演化行为: 5|7位错与5|7|7|5位错之间发生缺陷结构交替转变; 位错经历“钉扎$\rightleftharpoons $攀移/滑移混合运动”的反复演化过程; 位错保持“钉扎”状态直至位错处裂纹形核并发生韧性断裂. 本工作为深入理解石墨烯塑性变形行为提供了重要理论基础.
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纳米尺度下液体的蒸发因微观效应的影响而显著增强, 其速率甚至超过经典赫兹-克努森方程的预测上限. 这一特性使纳米液体蒸发在太阳能界面蒸发、电子散热及微流控等领域展现出重要应用价值. 然而, 现有研究多聚焦于单一微观效应的影响, 对多种效应协同作用机制的认识仍显不足. 为了准确地描述纳米尺度下液体的相变行为, 本研究以液氩为对象, 系统探讨了纳米尺度下液氩的势能与空化效应协同作用对液氩蒸发的影响机制. 采用分子动力学模拟研究在不同固-液相互作用强度的纳米通道内液氩的蒸发, 结果表明固-液相互作用强度增大使液氩势能减小, 蒸发能垒增大理论上抑制其蒸发. 但由此所形成的毛细压力诱导液氩内部负压而形成的空化效应增大了液氩的蒸发面积, 进而促进液氩的蒸发, 并且还伴随着蒸发模式的转变. 结果表明, 在 $ {\varepsilon }_{\mathrm{s}\mathrm{l}}=0.5{\varepsilon }_{\mathrm{l}\mathrm{l}} $, $ {\varepsilon }_{\mathrm{s}\mathrm{l}}={\varepsilon }_{\mathrm{l}\mathrm{l}} $, $ {\varepsilon }_{\mathrm{s}\mathrm{l}}=2{\varepsilon }_{\mathrm{l}\mathrm{l}} $, $ {\varepsilon }_{\mathrm{s}\mathrm{l}}=4{\varepsilon }_{\mathrm{l}\mathrm{l}} $四种不同固-液相互作用强度的通道中, 液氩的蒸发速率依次为3.95×10–14, 3.49×10–14, 3.02×10–14, 2.44×10–14 kg/s, 可得出在中等固-液相互作用强度$ {\varepsilon }_{\mathrm{s}\mathrm{l}}={\varepsilon }_{\mathrm{l}\mathrm{l}} $下, 二者达到最佳的协同效果, 蒸发速率达到最大值.
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辐射环境下, 增益光纤的辐致损耗会引起激光器输出性能的退化. 光漂白是降低辐射影响, 恢复激光器输出特性的一种有效方法. 本文对掺镱光纤激光器的辐照和光漂白特性开展了实验研究和模拟仿真. 在伽马辐照实验中, 激光器输出功率出现了明显的下降; 在漂白实验中, 观察到了激光器的性能恢复, 即自漂白现象. 为了摸清产生漂白效应的具体激光波长, 使用915, 976, 1070和1550 nm等不同波长激光测试了掺镱光纤内部辐致损耗的漂白特性, 明确了1 μm波段激光信号是引起掺镱光纤激光器性能恢复的主要因素, 而915, 976和1550 nm波段信号则无法实现对掺镱光纤的有效漂白. 测量了不同泵浦功率下掺镱光纤的漂白曲线, 并通过拟合得到了1070 nm光漂白下, 掺镱光纤辐致损耗的演化参数. 在此基础上, 计算给出了在辐照和光漂白条件下, 掺镱光纤内部辐致损耗的演化曲线; 结合激光器的辐射物理模型, 仿真给出了掺镱光纤激光器的功率演化曲线; 相关计算和仿真结果与实验测量数据变化趋势一致. 相关工作可为光纤激光器在辐射和漂白条件下性能演化预估提供技术支撑.
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圆孔型声子晶体, 因结构简单、制作方便, 被广泛应用于换能器的性能优化研究. 研究发现, 圆孔型声子晶体结构的孔隙越大, 弹性波的能量局域化效果越好. 但是高孔隙度意味着圆孔间的距离较窄, 会大幅降低结构的机械强度. 柱状声子晶体结构的提出, 解决了圆孔型声子晶体结构需要高孔隙度, 对结构尺寸精度要求高的问题, 为压电超声换能器的性能优化提供了新思路. 利用在换能器的前、后盖板上加工的柱状和声学表面结构, 操控声波的传输行为和路径, 从而实现对换能器中耦合振动的有效控制, 不仅解决了换能器因振动能量不能均匀传递而导致的辐射面振幅分布不均匀的问题, 还使其辐射面的位移振幅得到了显著提升, 提高了换能器的工作效率. 仿真计算结果揭示了柱状和声学表面结构的配置对换能器性能的影响规律, 实验结果证明柱状和声学表面结构可以有效提升压电超声换能器的性能, 研究可以为换能器的工程计算及优化提供系统的设计理论证明.
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本文研究了一类分段光滑不连续一维映象的动力学，该映象左支是一线性函数，右支是指数为$z$的幂率函数。在$x=0$处存在间断$[\mu,\mu+\delta]$，其中$\mu$为控制参数。当周期轨道失稳时，系统会进入混沌状态。而不连续性的出现导致了边界碰撞分岔的发生，可以使稳定的周期轨道转变为混沌状态或者另外一个稳定的周期状态。在这类转变点的附近，常常伴随着吸引子共存现象。 此外，随控制参数减小出现周期递增现象。得到了求解这类不连续映象在任意参数$z$和$\delta$下边界碰撞分岔临界控制参数的一般方法，将其归结为求解无量纲控制参数($\mu/\mu_0$，其中$\mu_0$为$\delta=0$时的控制参数)的代数方程，该方程对于简单的有理数或者较小的整数$z$，可以解析求解；对于任意实数$z$，可以数值求解。据此，我们解析得到了$L^{n-1}R$周期轨道的稳定性和边界碰撞分岔的临界控制参数。基于稳定性和边界碰撞分岔的解析分析, 获得了双参数$\mu-\delta$平面中系统动力学的相平面, 讨论了系统的动力学行为，发现了三类余维-2分岔点， 并给出了其坐标通式。 同时，在相平面中还发现了余维分岔点的融合，构成一类特殊的三相点，并解析得到其存在的条件。
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实验研究了微合金化元素La对经Al-5Ti-1B细化处理的Al-Mg合金凝固组织的影响，发现添加微量的La可进一步细化Al-Mg合金凝固组织，降低α-Al的形核过冷度。建立了微合金化元素La在Al合金熔体和TiB2界面处偏析行为模型，探明了微合金化元素La增强TiB2粒子对α-Al异质形核能力的作用机理，计算结果表明，微合金化元素La富集于Al熔体和TiB2粒子间界面处，降低TiB2和α-Al间的界面能和接触角，增强TiB2对α-Al的形核能力，进一步细化基体晶粒组织。
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多孔氧化铝薄膜因其优异的介电、机械和光学性能，广泛应用于电子器件、催化载体等领域。阳极氧化是制备高质量多孔氧化铝薄膜的主要方法，常用的碳棒对电极的导电行为和机制是影响薄膜微结构及其物性的一个重要因素。本文选取6 wt%磷酸为电解液，圆形铝箔为阳极，碳棒作为对电极，电极间距为15 cm，氧化时间为40 s，实验研究了氧化电压在100-140 V下碳棒的导电行为。实验结果显示，氧化铝薄膜的孔洞深度和孔径由薄膜中心向外呈对称性递减分布。当氧化电压低于110 V时，制备的氧化铝薄膜孔深和孔径由薄膜中心向外渐变梯度较小，宏观上呈现均一的结构色；当氧化电压达到110 V时，氧化铝薄膜孔深和孔径渐变梯度较大，薄膜呈现虹彩环形的结构色，随着氧化电压的增大，薄膜孔深和孔径渐变梯度增加，结构色环的数量增多，可见光内色域宽度显著增大。利用电磁学和电化学理论计算了碳棒在不同氧化电压下的导电行为并分析了其导电机制，得到了碳棒具有“准点电极”导电特性的结论，揭示了碳棒上点电极位置的选择遵循两极间的电阻最小原则。这一发现不仅丰富了阳极氧化的电化学理论，并为制备多功能的氧化铝薄膜提供了理论和实验支撑。
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设计新型混沌系统能够丰富加密系统的候选资源，是基于混沌加密的安全性的重要途径。离散忆阻器因其固有的非线性特性与电路友好特性，为构建新型混沌系统提供了有效途径。然而，其在复值离散混沌系统中的应用仍有待探索。为此，本文构建了一种基于离散忆阻器的复高斯混沌模型，其中忆阻器由复数模长驱动。通过李亚普诺夫指数、分岔图和相图等数值仿真分析，验证了该系统具有增强的混沌特性。同时，在 FPGA 数字平台上实现了该模型的硬件部署，证明了其硬件可行性。基于该模型生成的复值混沌序列，本文进一步设计了一种双图像加密方案，将两幅图像视为复数矩阵的实部和虚部，通过混沌序列进行置乱和扩散操作。仿真结果表明，该加密方案具有高安全性，能够抵抗多种攻击。
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非晶合金具有远超于传统金属材料的高强度、高硬度，但由于非晶合金的塑性变形高度局限于剪切带内，致使它的室温塑性变形能力极差。晶体-非晶、非晶-非晶双相结构是解决非晶合金塑性差、脆性高的有效策略之一。相变可实现从单一的晶体、非晶结构向晶体-非晶、非晶-非晶双相结构的转变，通过相变过程中的能量耗散与结构重组，实现超高强度与大的均匀塑性变形。衍生的双相合金可以继承非晶合金的独特性能，如：优异的力学性能、软硬磁性能、储氢性能及催化性能等。基于此，本文综述了晶体-非晶、非晶-非晶相变行为的研究进展，着重讨论了如何通过机械载荷、热处理等手段诱导相变的发生，同时强调了混合焓设计、元素配分对相变行为的重要影响。最后，本文对晶体-非晶与非晶-非晶双相材料的力学和功能特性进行了简单概述。
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原子分子中的光电离时间延迟是阿秒物理学中的基本现象, 它编码了原子分子中的电子结构和动力学信息. 本文主要研究了一氧化碳(CO)分子最高占据轨道$5\sigma \to k\sigma$通道光电离时间延迟的核间距依赖性. 采用基于李普曼-施温格方程的量子散射理论, 计算了不同核间距下的微分光电离截面和时间延迟. 结果表明, 在截面峰值和极小值能量附近, 光电离时间延迟出现明显极值, 且随核间距显著变化. 分波分析表明, $l=3$分波的形状共振是光电离截面与时间延迟出现峰值的原因, 其有效势场的核间距依赖性决定了光电离时间延迟的峰值能量位置和大小的变化. 在截面极小值附近, 利用双中心干涉模型解释了沿O端和C端出射时的光电离时间延迟分别出现正、负峰值的现象, 并阐明了其随核间距变化的物理机制. 本文的工作揭示了CO分子光电离时间延迟的核间距依赖规律, 有助于推动光电离时间延迟在分子结构及电子动力学探测中的应用.
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甚低频声波因具有强的穿透性, 其在海洋环境中的传播特性可受到海底深层地质结构的影响. 在已开展的海洋试验中, 垂直阵观测到水面航船的甚低频辐射噪声可激发高能量的深层海底声弹射路径, 但其激发机理尚不明确, 本文针对该现象开展理论基础研究. 基于海底的沉积过程构建包含声速梯度的等效海底模型, 并利用波数积分数值计算方法模拟声波跨海水-海底-海水的传播过程, 深入探究深层海底结构对声传播的影响, 进而揭示高能量海底声弹射现象的激发机理和相关特性规律. 研究表明, 受地质作用影响, 海底沉积层中可产生一定的声速梯度, 该梯度结构使得入射的甚低频声波在深层海底介质中传播时可发生“声翻转”效应, 将大部分能量重新辐射回水声场, 从而激发高能量海底声弹射路径. 在该过程中, 沉积层的厚度和声速结构共同作用影响表层和深层弹射路径的观测特征. 本研究深化了深海甚低频声传播机理的认知, 为利用海底弹射波进行甚低频目标的声探测应用提供理论支撑.
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在能源结构转型背景下, 开发高效储热材料是提升太阳能热发电技术的关键. 硝酸熔盐因热稳定性优异、储热密度高而被广泛应用, 但其性能优化多依赖传统实验与模拟方法, 存在效率低、成本高等问题. 本研究引入固体与分子经验电子理论(EET), 系统分析了硝酸盐MNO3 (M = Li, Na, K)及其分解产物亚硝酸盐MNO2的价电子结构、结合能和熔点, 揭示了其物性与价电子结构之间的关联机制. 计算的键长、结合能和熔点与实验相符. 结果表明: 其结合能与价电子成正相关; 熔融源于M—O键的断键, 其价电子对数与熔点呈显著正相关. 研究了二元硝酸盐的液相线与价电子结构的关联性, 计算的液相线与实验相符. 通过优化价电子结构, 可调控液化温度. 应用热动力学理论预测二元硝酸熔盐的结合黏度、电导率和热导率. 通过物性综合优化, 筛选出0.5LiNO3-0.5NaNO3等低液化温度、低黏度、高电导率、高热导率的二元硝酸盐成分. 本研究为硝酸熔盐成分设计提供了电子结构层面的依据.
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本文基于具有守恒性与相容性的N相相场模型，发展了一种用于高效模拟N相非混溶不可压流体流动的正则化格子Boltzmann方法。通过设计辅助矩，该方法能够精确恢复二阶Allen-Cahn方程与修正的动量方程。通过数值模拟三相液滴透镜铺展与三相Kelvin-Helmholtz不稳定性现象，验证了所发展的N相正则化格子Boltzmann方法的正确性与有效性。最后，对三相Rayleigh-Taylor不稳定性进行了数值模拟与分析，重点探究了雷诺数在500 ≤Re≤ 20000范围内（特别是高雷诺数Re=20000工况下）相界面的演化过程，定量分析了两个界面处气泡与尖钉的振幅以及无量纲化速度的变化规律。
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低温等离子体的反问题是指根据等离子体的密度、电场等物理特性来反演电压幅值、频率等放电参数，反问题的求解是对等离子体进行智能控制的重要前提，在流体描述的框架下，基于传统的离散化方法来求解反问题往往是非常困难的。本文引入物理信息神经网络（Physics-Informed Neural Networks,PINNs）对大气压射频等离子体的反问题的进行求解，把连续性方程、泊松方程及漂移扩散近似等主要控制方程与作为待求解放电参数的电压幅值与频率，及额外的电场数据这三部分作为约束嵌入PINNs的损失函数中。经过训练后，PINNs可以实现对电压幅值与频率等放电参数的精确反演，且可以保证误差均在1%以内，同时也可以完整地输出密度、电场、通量等物理量的时空演化。为进一步优化额外数据对PINNs计算的影响，本文还深入分析了电场数据的采样位置、采样数量以及噪声水平对反演电压幅值与频率的效果。本研究表明，PINNs能够在给定实验或计算数据条件下，实现射频等离子体放电参数的精准反演及等离子体物理特性的精确计算，从而为推进对等离子体的智能控制打下基础。
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La3Ni2O7在高压条件下表现出近80 K的超导电性，成为继铜氧化物高温超导体之后第二类超导转变温度进入液氮温区的层状非常规超导体，其发现随即引起了国际上的广泛关注。本文简要介绍本课题组在La3Ni2O7高压输运测量方面的研究进展，包括高温超导零电阻的发现、超导与奇异金属行为之间的联系以及修正后的压力-温度相图。
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