Materials Studio软件在固体物理学习中的应用

以金属Al和半导体Zn S为例,介绍了Materials Studio软件在固体物理学习中的应用.通过建立晶格模型,计算能带、态密度、第一布里渊区和费米面,把这些抽象的物理概念具体化,从而帮助学习者更加直观、深刻地理解相关概念和理论,显示了Materials Studio在固体物理学习中具有极大的优越性.

Materials Studio在固体物理课程分层教学中的应用

为了深化固体物理课程改革,适应学生发展和学习需求,我们对固体物理课程采用了分层教学模式,针对不同专业不同层次水平的学生进行不同模式的教学,因材施教。同时在固体物理课程教学过程中把Materials Studio软件引入课件制作、课堂演示和课下练习环节中,可视化图形,可操作性学习过程,增强了学生对物理模型的理解,激发了学生深入探索的学习兴趣。

Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用

在固体物理教学中结合具有可视化界面的Material Studio软件,进行固体物理教与学的演示研究,基于CASTEP模块中可视化操作建模后以物理图像的形式将抽象的固体物理概念具象化地教,让学生通过计算模块学习自己动手计算分析直观的物理图像深刻体会其物理内涵.在教与学的过程中,结合Materials Studio计算模拟的结果研究表明能将相关的固体物理知识可视化即建立清晰的物理图像,使学生更透彻地理解从而达到预期教学效果.

隧道突涌水灾害缩尺物理模型试验研究综述

随着我国经济的快速发展,隧道工程建设越来越多地面临着大埋深、高地应力、高地温、高渗透压力等复杂地质环境,运用物理模型试验开展复杂环境下隧道突涌水灾变机理与安全防控研究已成为岩石力学的热点问题。结合近年来国内外针对隧道突涌水灾变缩尺物理模型试验开展的研究工作,重点对该类物理模型的流固耦合相似理论、相似材料研制、渗透压加载方法等内容进行了系统梳理,并对下一步的可能发展方向进行展望。参考部分文献和突水典型案例后,总结了流固耦合相似准则和高地应力下的相似准则、相似材料选用方案及材料配比、试验中的水压加载方案,认为未来关注的重点包括考虑温度场的物理模型试验相似准则的研究和涌水涌泥与突水突泥间渐变过程的研究2个方面。

功能梯度阳极固体氧化物燃料电池热应力数值模拟研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)各部件间的材料属性差异导致电池在制造和运行过程中应力过高,使用功能梯度材料电极可以减小SOFC的残余应力和热应力。本研究基于COMSOL Multiphysics 6.0软件建立完整结构的SOFC多物理场耦合模型,采用四种不同的分布曲线表征阳极材料的组分分布,对功能梯度阳极SOFC的残余应力和运行热应力进行数值计算。结果表明,电池在制备过程中,使用功能梯度材料能显著减小阳极所受的拉应力,该现象在常温下更加明显。二次曲线分布相比于无梯度分布,还原前阳极的室温最大拉应力减小47.69%,还原后室温最大拉应力减小35.74%。电池在运行过程中,电化学反应产热和气体对流换热导致入口和出口形成温差,金属框在出入口以及肋与电极接触的位置存在较大的应力集中现象。功能梯度材料可以显著减小阳极、金属框及电解质所受的最大应力,其中材料组分为二次曲线分布时效果最明显。本研究对设计制造SOFC具有潜在的理论意义和工程价值。

材料专业研究生“材料物理基础”课程的教学思考与改革

“材料物理基础”是高校材料科学与工程专业研究生培养过程中的一门重要核心课程。该课程在教学过程中主要面临知识点繁杂、概念抽象、数学推导困难等问题。因此,本文针对上述问题进行课程内容、教学思路以及教学形式的优化与改革。一方面为了更加符合材料专业研究生培养目标,计划降低材料相关知识内容占比,并简化物理知识与数学推导难度。另一方面为了让学生更好理解本课程的核心知识点,计划通过从波粒二象性引入粒子与波两种物理图像,并针对同一知识点不断对比两种物理图像下的理解。在此基础之上,进一步探索教学方法与模式的优化与改革,即采用理论讲授、实验操作、计算仿真三者相结合的教学模式深入理解核心知识点,让学生从理论知识的讲解中理解微观物理机制,从实验操作中直接认知实验现象,并从动手编写计算程序的过程中理解核心知识并验证实验结果,实现认知—实践—再认知的闭环。

科学研究融入固体物理教学的探索与实践

前沿科学技术融入教学是实现专业知识从学习、应用到创新的重要途径.本文将热电材料科学研究融入到固体物理教学中,利用热电材料研究前沿促进固体物理中晶体结构、晶体的结合、晶格振动与晶体的热学性质、自由电子论和能带理论等基础知识的教学和思考,加强学生对固体物理基础知识的理解、激发学习兴趣,拓展知识层次,培养学生将基础知识用于解决实际问题的科学思维和能力,提高了教学质量.

多孔介质固液耦合相似材料的研制

为研究地下结构与富水多孔岩体的相互作用问题,根据模型试验相似理论,研制出了一种多孔介质固-液耦合相似材料,该材料由中粗砂、水泥、透水混凝土增强剂合水按一定配比均匀拌和压制而成。运用正交试验设计原理进行配比试验,制作模型小试件,进行了单轴抗压强度、渗透系数、重度、弹性模量、泊松比等参数测试,找出了相似材料各成分对配比试件的影响特征,可根据需要在物理模拟试验中选取不同配比。该配方力学指标稳定,满足一次性浇筑大尺寸模型试件的要求,适用于进行结构与围岩体耦合失效破坏模式的大型物理模拟试验,为富水条件下地下结构风险评估提供了相似试验材料。

新一代高能固体推进剂的能量特性计算研究

在分析硝酸酯乙基硝胺(NENA)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、呋咱类化合物、唑类富氮化合物、贮氢合金五种含能材料的特点和性能的基础上,用电算法对由常规(或含能)黏合剂/含能增塑剂/高能氧化剂/金属燃烧剂组合的一系列配方的能量特性进行了计算,探索了新型高能固体推进剂的途径和思路,并就这些途径给推进剂能量性能带来的影响进行了讨论,提供了新型高能推进剂的八条技术途径。

镁基储氢材料对AP/Al/HTPB复合固体推进剂性能的影响

用差示扫描量热仪(DSC)研究了镁基储氢材料(Mg2NiH4,Mg2Cu-H和MgH2)对高氯酸铵(AP)及AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解性能的影响。结果表明,含量5%的镁基储氢材料对AP热分解过程具有明显的催化促进作用。含量1.3%的镁基储氢材料可以降低AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解过程的热分解温度,使分解热明显增加,表现出显著的增强促进作用。燃速测定结果表明,在8MPa下,含量1.3%的Mg2NiH4,Mg2Cu-H和MgH2可以分别使AP/Al/HTPB复合固体推进剂的燃速提高3.5%、14.4%和13.9%。镁基储氢材料对AP和AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解的作用效果与其含氢量有关,MgH2的含氢量大,作用效果好。镁基储氢材料主要通过催化AP/Al/HTPB复合固体推进剂中AP的热分解,表现出对AP/Al/HTPB复合固体推进剂热分解具有较好的催化效果。

硼镁复合粉的特性及对富燃料推进剂燃速特性影响

采用扫描电镜(SEM)、激光粒度分布仪、pH酸度计和X-射线荧光光谱仪等手段,分析了硼镁复合粉的物化特性,用HAAKE流变仪测试了硼镁复合粉与HTPB混合形成悬浮液的流变特性,并研究了含硼镁复合粉富燃料推进剂的燃烧性能。结果表明,硼镁复合粉的密度较无定形硼粉的稍有减小,其与水形成悬浊液的pH值显中性,与HTPB粘合剂形成悬浮液的屈服值和表观粘度较小,且随剪切速率的增加,悬浮液体系的表观粘度最终趋于平缓,含硼镁复合粉的富燃料推进剂在0.5～3 MPa的燃速压强指数较含硼富燃料推进剂的提高0.05,燃烧热值增加2.81%。

水泥石膏胶结相似材料在固-流耦合试验中的适用性

通过不同配比下相似材料试件的水理性质正交试验,分析了以水泥和石膏作为胶结剂,石英砂作为骨料的相似材料吸水率、软化系数和渗透系数随砂胶比(骨料与胶结材料质量比)、水膏比(水泥占胶结材料百分比)、石英砂粒径的变化规律。通过对比分析,证明此种相似材料在一定配比情况下遇水不会发生崩解,而是产生类似岩石的软化现象,适用于原型岩体为孔隙较发育的石灰岩和砂岩,并且不以吸水特性为研究对象的相似材料固-流耦合模型试验研究。通过对样本数据进行多元回归分析,得到了吸水率、软化系数和渗透系数与砂胶比、水膏比和石英砂粒径之间的经验方程。通过神华新街台格庙矿区白垩系志丹群巨厚层砂岩含水层固-流耦合相似材料模型试验,证明水泥石膏胶结相似材料可以应用于固-流耦合试验中,并且经验方程可用于对相似材料的水理性质进行验算。

层次化、模块化的云端教学案例库建设研究

针对一般高校基础理论课案例型教学存在案例内容碎片化、程式化、局限化的问题,国防科技大学固体物理系列课程团队坚持“以学生为中心、以能力产出为导向”,积极开展了层次化、模块化的云端教学案例库建设和应用探索。通过积极发动学生参与到层次化案例库建设,以及模块化案例库收集和整理工作,团队建成了可支撑贯穿整门课、不受时空限制的案例式教学的教学案例库。相关研究成果有效地培养了学生的科学素养和综合能力,提升了母体课程的授课效果,并为其他课程开展案例式教学提供了一定的借鉴。

ZrO_2和ZrB_2在螺压双基推进剂中的应用

研究了ZrO2和ZrB2对螺压NC/NG/炭黑和铜盐/铅盐/其它助剂(57.0/33.0/0.7/2.0/7.3)混合物制成的双基推进剂燃烧性能的影响,用稳态燃烧火焰照片和燃烧区温度波分布揭示了它们的作用机理。结果表明,分别采用ZrO2和ZrB2代替部分铅铜催化剂后,推进剂7 MPa下的燃速最大可增加73%和41%,其低压燃烧平台移向7 MPa以上,并拓宽至13 MPa。并且随着ZrO2和ZrB2粒度的减小,催化推进剂的燃烧速度增大,表明ZrO2和ZrB2对螺压双基推进剂的燃烧有良好的催化效果。

高能燃烧剂(BHN)对富燃料推进剂特性的影响

通过激光粒度仪分析了高能燃烧剂(BHN)的粒径及粒径分布,利用DSC和TG-DTG热分析仪分析了BHN及含BHN的富燃料推进剂热分解特性,采用燃烧实验装置研究了推进剂的燃烧特性及燃烧火焰结构,最终对BHN和含BHN的富燃料固体推进剂的机械安全性能(撞击感度、摩擦感度)进行了评价。结果表明,随着高能燃烧剂BHN含量的增加,富燃料推进剂的质量燃烧热值和体积燃烧热值均增大,而密度减小;BHN的撞击感度和摩擦感度均较低,随着BHN含量的增加,富燃料推进剂的撞击感度增加,而摩擦感度没有明显的变化;富燃料推进剂的燃速和燃速压强指数随BHN含量的增加均有不同程度的降低,富燃料推进剂(BP-4)在3 MPa下的燃速降低30.45%,燃速压强指数也由基础配方的0.442降低到0.415。

“材料物理”课程的研究型教学探索

针对原有课程在教学内容、教学方法、考核形式等方面存在的突出问题,国防科技大学“材料物理”课程教学团队“以能力产出为导向”,围绕“突出学生主体地位、培养学生创新思维能力”主题,持续开展研究型教学改革。通过优化教学内容,将基础理论与材料科学研究有机结合起来,构建了立足基础、面向应用的教学模式。通过持续探索研究型教学方法,突出学生的主体地位,实现了教学过程从以教为主向以学为主的转变,教学空间从以课堂为主向线上线下融合的转变,教学评价从结果评价为主向多形式过程评价转变。通过教学实践,丰富了研究型教学内涵,打造了一支优秀的教学团队。

固体材料热物性参数智能测试系统设计与研制

为实现厚度较薄固体板状材料热物性的准确测试。基于平行热线法基本原理,将温度测点由原来与热线平行布置,改为试样厚度方向布置,并考虑热穿透效应的影响,利用数值解法结合计算机编程直接测算材料热导率及热扩散率。研制了热物性智能测试系统,对硼硅玻璃、石棉、硅藻土耐火砖等进行热物性测试实验,结果表明与国家标准测试方法测试值和文献值较为吻合。考虑热穿透效应的影响,通过适当的数据处理手段,不用通过熔融加厚也可实现薄固体板状材料热物性的准确测试,有效拓展了热线法应用范围。

基于低共熔相变材料二元液-固相图的绘制实验设计

以有机相变材料癸酸-十二醇作为二元液-固体系相图绘制实验的研究对象,通过理论计算体系中各物质的相变温度绘制理论温度组成(T-x)相图,并得到低共熔混合物温度和组成的理论值.配制不同摩尔分数的癸酸-十二醇混合物,利用热分析方法采用凝固点降低测定物质摩尔质量实验简单装置,测量各混合物冷却过程中相变温度,绘制有机酸-有机醇二元体系相图,得到低共熔点温度和组成,并与理论值进行比较.该实验避免了经典物理化学实验“二组分金属相图的绘制”在教学中金属样品融化温度高且耗时较长等问题,改用熔点较低的相变材料绘制固液相图,在满足二组分液固相图实验要求的同时,将绿色化学实验设计理念融入到基础物理化学实验教学中.

燃料电池阳极材料的物理机械性能研究

以NiO和钐掺杂氧化铈(SDC)为原料,通过粉末冶金工艺制备出用于燃料电池的NiO/SDC阳极烧结体和Ni/SDC阳极材料,并测试了其孔隙率、孔径分布及电导率等物理机械性能。结果表明,NiO/SDC阳极材料性能依赖于其制备工艺和原料粉体性能,为获得具有良好综合性能的燃料电池阳极材料,必须对原料粉体及烧结工艺参数进行优化设计。

新能源材料与器件专业固体物理学业评价改革研究

针对新能源材料与器件专业固体物理课程以往以期末闭卷考试为主的终结性学业评价方式的弊端,提出了以过程性评价为导向的学业评价方式。这种评价方式能够使教师及时掌握学生的学习情况,并提高学生的学习主动性和积极性,培养学生的自学能力和分析解决问题的能力,实现对本课程的更有效地学习。