聚集态颗粒物质的能量输运和耗散性质研究

颗粒物质的能量输运与耗散性质是其动力学研究的一个重要问题，由于颗粒的离散性和接触时能量发生耗散等特征，聚集态颗粒体系中的能量输运与耗散研究进展缓慢。在前期工作基础上，本课题开展"聚集态颗粒物质的能量输运和耗散性质研究"，考虑到体系内部的力链网络结构特征，以一维复合颗粒链、规则球形颗粒、无规颗粒沙子组成的颗粒体系等为研究对象，以分子动力学模拟和力学实验为手段研究在冲击波和切变应力波作用下这些颗粒体系的力学响应特性，以应力波的能量传输和耗散性质与颗粒聚集体的微结构（颗粒链排列方式、堆积系数和湿度等）以及其它因素（振幅、频率等）之间的内在关系为主线，通过分析颗粒链中孤立波的分解、反射和透射以及颗粒物质中能量耗散峰的变化特征，获得颗粒聚集体中应力波能量传输和耗散的影响因素及其规律，并给予合理的解释，同时拓展传统内耗技术的应用范围，希望获得颗粒聚集体中力链随外场变化的动态信息与规律。

颗粒物质的能量输运与耗散性质是其动力学研究的一个重要问题，由于颗粒的离散性和接触时能量发生耗散等特征，聚集态颗粒体系中的能量输运与耗散研究进展缓慢。本项目结合分子动力学模拟和力学谱实验研究了聚集态颗粒物质的能量输运和耗散性质。主要研究内容和结论如下：（1）研究孤立波在不同复合颗粒链中的分解、传播和反射行为，获得冲击波能量在复合颗粒链中以及某些特殊的颗粒体系中的传输规律。研究发现孤立波的相速度与孤立波的顺序数之间满足指数关系，同时孤立波串中的孤立波个数与轻重颗粒的约化质量也满足指数衰减关系。（2）利用力学谱技术研究不同类型颗粒物质（细沙、铝粉与铁粉）的能量耗散行为。研究发现对于不同类型的颗粒体系，在其能量耗散-频率谱线上均出现一系列峰，对应于不同长度颗粒链的共振耗散行为，这些耗散峰位置之间的比值是一个常数；在外压强p作用下，颗粒间的形变量δ与p的2/3次方成正比关系；颗粒链的共振频率随形变量、压强等因素之间存在一个线性关系，实验数据的斜率与由Hertz定律得到的理论计算值(6.35）基本一致，这表明Hertz定律完全可以定量描述三维体系中颗粒链在低频剪切振动下的耗散行为与弹性性质。（3）利用力学谱实验手段研究了湿颗粒体系和胶体溶液的能量耗散与相转变行为。对于沙水混合体系，在其能量耗散随水体积分数变化曲线上出现一个尖锐的峰，初步分析认为它与湿颗粒体系在某一体积分数下形成的复杂结构相关。在Pluronic L64胶体溶液中观测了凝胶形成的动态过程，发现凝胶的形成主要是由体系中胶体粒子形成的逾渗网络结构演变而来；构建了PNIPAM微凝胶体系在不同交联度、温度和浓度下的相图，发现两种玻璃化行为，提出了它们的形成机制。该项研究工作对于认识与理解颗粒物质体系的动力学性质具有重要学术意义和实际应用价值。