机械工程学报

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2021, 43(12): 2149-2158. doi: 10.11779/CJGE202112001

[摘要](98) [HTML全文](98)

摘要:

在阐述高放射性废物深地质处置库内膨润土胶体吸附迁移特性的基础上,总结了胶体与核素的共迁移试验、作用机理和模拟等方面研究成果。结果表明,膨润土胶体的吸附、迁移性受胶体浓度、地下水离子强度和pH影响显著,已有成果难以评价膨润土胶体对核素的吸附能力以及胶体的迁移能力。实验室动态柱试验和原位偶极子流场试验都关注到可移动胶体对核素迁移的促进作用以及过滤胶体对核素迁移的阻滞作用,但缺乏原位远距离胶体和核素共迁移试验成果。膨润土胶体和核素共迁移效果受胶体的吸附-解吸和胶体过滤作用控制,鲜少考虑介质的阻塞作用。双重渗透率模型和双重孔隙介质模型能够模拟特定条件下膨润土胶体和核素的共迁移穿透曲线,但考虑的裂隙系统简单,未考虑核素的竞争吸附效应。最后,提出了试验和理论方面的研究建议。

深埋互层岩体地下洞室地震响应数值模拟研究

赵勐, 肖明, 陈俊涛, 杨步云

2021, 43(12): 2159-2168. doi: 10.11779/CJGE202112002

[摘要](88) [HTML全文](114)

摘要:

针对深埋大型地下洞室地震波场特性,考虑近场斜入射地震动的方向性、多面性和非一致性,通过将场地地震反应转化为人工边界上等效荷载实现了深埋地下洞室地震波斜入射。针对地震作用下互层岩体层间的动力相互作用特点,建立考虑层面震动劣化效应和黏结滑移特性的动接触力算法。由此构建地震动斜入射下深埋互层岩体地下洞室地震响应分析方法,将该方法应用于阿扎德帕坦水电站地下厂房地震损伤演化分析中,研究结果表明：斜入射地震动加剧了衬砌结构的位移和应力响应,主要体现在波动幅值上,厂房上部边墙和顶拱损伤破坏程度最大；考虑动接触后,层面附近洞室的地震响应增大,岩层间产生明显的地震劣化现象和剪切滑移破坏,层间错动更加明显,最大错动位移在5.9 cm处趋于稳定；并从横向和纵轴向两个角度归纳总结了互层岩体地下洞室结构的震损特征和破坏模式。

基于应力率正交分解的广义非共轴理论

王兴, 孔亮, 李学丰

2021, 43(12): 2180-2189. doi: 10.11779/CJGE202112004

[摘要](78) [HTML全文](46)

摘要:

传统非共轴理论中非共轴塑性应变率与非共轴应力率之间通常采用线性假设并且二者始终同向,这与土体实际的非共轴变形特性不相符。为了弥补这一缺陷,首先基于数学推导证明了总应力率可以分解为6个正交方向上的分量应力率之和,由此揭示出传统非共轴理论中定义的非共轴应力率是由多项正交分量所构成。针对非共轴应力率中的每一正交分量,基于广义塑性力学,通过直接定义加载强度指标、塑性模量和塑性流动方向建立相应的非线性加载机制描述其所诱发的塑性变形。将总的非共轴塑性变形视为每一分量诱发的塑性变形之和,从而建立了一种广义形式的非共轴理论。推导了基于广义非共轴理论建立土体弹塑性模型时的应力应变关系式。针对模型评估的数值试验显示了广义非共轴理论的合理性,从而表明了新建理论能够为土体非共轴模型的建立提供更为广泛的理论基础。

颗粒形状和压实度对炉渣颗粒土力学特性的影响

吴杨, 黄锦盛, 崔杰, 吉本正宪

2021, 43(12): 2220-2229. doi: 10.11779/CJGE202112008

[摘要](72) [HTML全文](84)

摘要:

炉渣颗粒土是火电厂发电过程中煤炭燃烧产生的一种颗粒废弃物,近年来经常作为边坡和路基回填材料在工程建设中使用。对6种不同产地的炉渣颗粒土进行了单颗粒破碎试验,发现炉渣颗粒土的单颗粒强度显著低于天然砂土,具有较大的破碎性。随后,开展了一系列排水三轴剪切试验,研究了颗粒形状、压实度和围压对其剪切特性的影响。三轴试验结果表明,压实度可以显著提高炉渣颗粒土的初始刚度及峰值抗剪强度。相较于自然砂土,炉渣颗粒土拥有较大的峰值摩擦角,作为回填材料可提供较大的承载力。另外,炉渣颗粒土的峰值摩擦角随着围压的增大而降低。分析结果揭示颗粒形状和单颗粒强度均是影响炉渣颗粒土抗剪强度的重要因素。在不同的围压水平,两者对峰值抗剪强度的影响程度有所不同。另外,通过图像分析法获取了不同种类炉渣颗粒土的多种形状参数,发现炉渣颗粒土的圆度和球度都显著小于大部分自然砂土,表明该类颗粒材料拥有较为复杂的颗粒形状。分析结果还表明炉渣颗粒土的临界状态摩擦角与炉渣颗粒土的各个形状参数都存在一定程度的关联性。采用了一个新的能够考虑多种颗粒形状因素影响的综合指标,建立了其与临界状态强度和临界状态线位置参数的经验关系表达式。

考虑颗粒级配和形态的颗粒柱坍塌特性离散元模拟

崔溦, 魏杰, 王超, 王枭华, 张社荣

2021, 43(12): 2230-2239. doi: 10.11779/CJGE202112009

[摘要](90) [HTML全文](86)

摘要:

颗粒形态和级配情况等是影响碎屑颗粒流（如滑坡、泥石流、岩崩等）运动的重要因素。基于沃洛诺伊镶嵌原理的随机生成方法创建了不同长细比不同级配的多面体颗粒,引入势粒子算法用于考虑颗粒间的接触作用,根据室内试验确定了离散元接触模型的各项参数,对考虑级配和形态的颗粒柱坍塌特性开展数值试验,研究结果表明：①颗粒柱的归一化堆积高度随颗粒的长细比和中值粒径d₅₀的减小而减小,归一化跑出距离则随其减小而增加。②堆积过程中不同工况的相对静止角 $α$ 为61.49°～64.99°,且变化规律与归一化堆积高度变化一致。③不同工况的归一化能量耗散为27.1%～35.5%,且转动动能仅占平动动能的8.20%～9.05%。④归一化动能和颗粒配位数呈现负相关的关系,归一化动能达到峰值时颗粒配位数也达到最小值。⑤崩塌过程中强力链一般分布在滑动堆积体的中下部区域,形成力链传递的“拱效应”。中值粒径d₅₀和长细比增大会减少强力链的数量,接触力传递的路径少而集中,从而限制颗粒在堆积过程中的运动。

甲基环己烷在9$ \sim $15.5 eV能量区的真空紫外光电离研究

张航, 李淹博, 朱龙, 陈军, 余业鹏, 李照辉, 林烜, 单晓斌, 刘付轶, 盛六四

2020, 33(3): 296-302. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1905095

[摘要](193) [HTML全文](116)

摘要:
利用具有同步辐射源的反射式飞行时间质谱仪, 研究甲基环己烷的真空紫外光电离和光解离.观测到母体离子C$ _7 $H$ _{14} $$ ^+ $和碎片离子C$ _7 $H$ _{13} $$ ^+ $, C$ _6 $H$ _{11} $$ ^+ $, C$ _6 $H$ _{10} $$ ^+ $, C$ _5 $H$ _{10} $$ ^+ $, C$ _5 $H$ _{9} $$ ^+ $, C$ _4 $H$ _{8}^+ $, C$ _4 $H$ _{7} $$ ^+ $和C$ _3 $H$ _{5} $$ ^+ $的光电离效率曲线.测定甲基环己烷的电离能为9.80$ \pm $ 0.03 eV, 通过光电离效率曲线确定其碎片离子的出现势.在B3LYP/6-31G(d)水平上对过渡态、中间体和产物离子的优化结构进行表征, 并使用G3B3方法计算其能量.提出主要碎片离子的形成通道.分子内氢迁移和碳开环是甲基环己烷裂解途径中最重要的过程.

刘鑫, 倪宇翔, 王红艳, 王辉

2020, 33(3): 311-318. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907136

[摘要](175) [HTML全文](100)

摘要:

基于第一性原理,系统研究了11种不同原子吸附在单层AsP上的几何结构、吸附能、磁矩和电子结构性质. 使用的吸附原子包括轻质非金属(C、N、O)原子,第三周期金属原子(Na、Mg、Al)和过渡金属原子(Ti、V、Cr、Mn和Fe). 研究结果表明,吸附原子引起了AsP多样的结构、磁性和电子性质改变. AsP与所研究的吸附原子都能紧密结合,并且所有系统的吸附能都比吸附原子在石墨烯、SiC、BN以及MoS

\begin{document}$ _2 $\end{document}

上的吸附能强得多. AsP的半导体特性受到吸附原子的影响,其可以诱导产生中间能隙态或引起n型掺杂. 此外,表面吸附产生了不同的自旋电子特性,具体而言,吸附N、Ti和Fe的AsP成为双极半导体；Mn修饰的AsP成为双极自旋无间隙半导体.

韩超英, 蒋婷, 朱华, 范红筠

2020, 33(3): 319-326. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907145

[摘要](58) [HTML全文](44)

摘要:
采用[CCSD(T)]-F12a/aug-cc-pVTZ方法,同时在基组中引入中心键函数(3s3p2d1f1g)构建了He-H$ _2 $S复合物的高精度六维势能面. 除分子间振动坐标,同时考虑了H$ _2 $S分子内的$ \nu_1 $对称伸缩振动$ Q_1 $正则模、$ \nu_2 $弯曲振动$ Q_2 $正则模和$ \nu_3 $反对称伸缩振动$ Q_3 $正则模三种振动模式. 将计算得到的六维势能面在$ Q_1 $,$ Q_2 $和$ Q_3 $方向上分别做积分得到H$ _2 $S单体分别处于振动基态、$ \nu_2 $和$ \nu_3 $激发态下的He-H$ _2 $S的三个振动平均势能面. 计算结果表明,每个平均势能面都有一个T 形全局极小值、一个平面局部极小值、两个平面内鞍点和一个平面外鞍点. 全局极小值的几何构型位于$ R $ = 3.46 Å,$ \theta $ = 109.9$ ^\circ $和$ \varphi $ = 0.0$ ^\circ $,势阱深度为35.301 cm$ ^{-1} $. 在径向部分采用离散变量表象法和角度部分采用有限基组表象法并结合Lanczos循环算法计算了He-H$ _2 $S的振转能级和束缚态. 计算发现He-($ para $-H$ _2 $S)在H$ _2 $S的$ \nu_2 $和$ \nu_3 $区域的带心位移分别为 0.025 cm$ ^{-1} $ 和0.031 cm$ ^{-1} $,而He-($ ortho $-H$ _2 $S)的带心位移分别为0.041 cm$ ^{-1} $ 和0.060 cm$ ^{-1} $,都表现为蓝移.

双金属纳米团簇Au$ _\bf{2} $$ @ $Cu$ _\bf{6} $电子结构的稳定性：闭壳层作用和多中心键

马莹莹, 喻远琴, 程龙玖

2020, 33(3): 327-333. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1912200

[摘要](144) [HTML全文](89)

摘要:
采用密度泛函理论方法，研究了近年来实验报道的双金属纳米团簇Au$ _2 $$ @ $Cu$ _6 $的电子结构和成键特征.一般认为，纳米团簇Au$ _2 $$ @ $Cu$ _6 $中(CuSH)$ _6 $环和(Au$ _2 $PH$ _3 $)$ _2 $两部分之间的相互作用可以看作是d$ ^{10} $-$ \sigma $闭壳相互作用.然而，化学成键分析表明，两个部分之间存在一个十中心两电子(10c-2e)的多中心键.将该结构与其他双金属纳米团簇M$ _2 $$ @ $Cu$ _6 $(M = Ag、Cu、Zn、Cd、Hg)做对比分析，结果表明除了d$ ^{10} $-$ \sigma $闭壳层相互作用外，多中心键也是配合物的电子结构稳定性的原因.这一结果将为理解闭壳层相互作用提供有利的帮助.

混合电解质溶液中考虑介电饱和度的表面电位评估原理

邹温馨, 彭景, 修维宁, 刘新敏

2020, 33(3): 334-342. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907132

[摘要](193) [HTML全文](95)

摘要:
基于非线性泊松-玻尔兹曼方程，推导了混合电解质溶液中考虑介电饱和度的表面电位的解析表达式.近似解析解和精确数值解计算出的表面电位在很大范围的电荷密度和离子强度条件下均具有很好的一致性.当表面电荷密度大于0.30 C/m$ ^2 $时，介电饱和度对表面电位的影响变得尤为重要；当表面电荷密度小于0.30 C/m$ ^2 $时，可忽略介电饱和度的影响，即基于经典泊松-玻尔兹曼方程可获得有效的表面电位解析模型.因此，0.3 C/m$ ^2 $可作为是否考虑介电饱和度的颗粒临界表面电荷密度值.在低表面电荷密度时，考虑介质饱和度的表面电位解析模型可自然回归到经典泊松-玻尔兹曼理论的结果，得到的表面电位可以正确地预测一价和二价反离子之间的吸附选择性.

CO和O$ _2 $分子与TiO$ _2 $(110)表面负载Pt单原子的相互作用

董世辉, 王傲雷, 赵瑾, 谭世倞, 王兵

2020, 33(3): 349-356. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1911198

[摘要](198) [HTML全文](152)

摘要:
Pt单原子在低温CO氧化反应中具有很高的催化活性.利用扫描隧道显微术与密度泛函理论，研究了Pt单原子在还原性TiO$ _2 $(110)表面的吸附行为及其与CO和O$ _2 $分子的相互作用.研究发现在80 K低温下，TiO$ _2 $表面的氧空位缺陷是Pt单原子的最优吸附位.将CO和O$ _2 $分子分别通入Pt单原子吸附后的TiO$ _2 $表面，研究相应的吸附构型.实验表明在低覆盖度下，单个Pt原子会俘获一个CO分子，CO分子同时与表面次近邻的五配位Ti原子(Ti$ _{\mathrm{5c}} $)成键，进而形成非对称的Pt-CO复合物构型.将样品从80 K升温到100 K后，TiO$ _2 $表面的CO分子会迁移到Pt-CO处形成Pt-(CO)$ _2 $的复合结构.对于O$ _2 $分子，单个Pt原子同样会吸附一个O$ _2 $分子，O$ _2 $分子也会与最近邻或次近邻的Ti$ _{\mathrm{5c}} $原子成键形成两种Pt-O$ _2 $构型.这些结果在单分子尺度上揭示了CO和O$ _2 $与Pt单原子的相互作用，呈现了CO与O$ _2 $反应中的初始状态.

三聚氰胺/Tb

\begin{document}$ ^{\bf{3+}} $\end{document}

插层的聚二炔纳米片的制备及其热致变色可逆性研究测试

王青, 王刚, 黄霞芸, 陈道勇

2020, 33(3): 357-364. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907143

[摘要](247) [HTML全文](94)

摘要:

聚二炔(PDA)是一类具有层状结构的共轭聚合物.在插层过程中，客体组分可插入PDA的层间，形成插层结构.在这些结构中，一部分插层复合物具有近乎完美的组装结构，并展现出完全可逆的热致变色特性.迄今为止，已报到的具有近乎完美组装结构的PDA复合物中仅成功插入了单个客体组分.本文选择其一侧的羧基可与Tb

\begin{document}$ ^{3+} $\end{document}

离子或三聚氰胺(MAs)作用的10，12-二十五烷二炔酸(PCDA)作为单体.当PCDA，MA和Tb

\begin{document}$ ^{3+} $\end{document}

投料摩尔比为3:267:1时，虽然体系中存在大大过量的MA，仅有Tb

$ ^{3+} $

离子插入了PDA层间，该复合物具有近乎完美插层结构，表现出完全可逆的热致变色特性.当PCDA，MA和Tb

$ ^{3+} $

投料摩尔比为3:267:0.6时，此时Tb

$ ^{3+} $

和MAs都插入了PDA的层间，该复合物存在近乎完美的结构区域和一些不完美的缺陷区域(例如：MA插层区域以及区域-区域边界处).因此，其仅表现出部分可逆的热致变色特性.其近乎完美的结构区域中的共轭主链仍能可逆地恢复至其初始构象，而缺陷区域的共轭主链则很难可逆地恢复至其初始构象.

基于石墨烯/石墨烯卷轴复合薄膜高灵敏度柔性压力传感器

翟毅恒, 汪韬, 齐志凯, 孔祥华, 徐航勋, 季恒星

2020, 33(3): 365-370. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907146

[摘要](116) [HTML全文](86)

摘要:
一维导电材料例如纳米线，大量应用于柔性压力传感器中.但是一维材料和基底之间接触时相互作用力较弱，使得传感器灵敏度、响应时间、和循环寿命等性能指标有待进一步提高.针对这些问题，设计了石墨烯/石墨烯卷轴多分子层复合薄膜作为传感器导电层.石墨烯卷轴具有一维结构，而石墨烯的二维结构可以牢固地固定卷轴，以确保高导电性复合薄膜与基底之间的粘附性，同时整体结构的导电通道得到了增加.由于一维和二维结构的协同效应，实现了应变灵敏度系数3.5 kPa$ ^{-1} $、响应时间小于50 ms、能够稳定工作1000次以上的压阻传感器.

利用天然磁铁矿简易绿色合成磁性Fe$ _\bf{3} $C$ @ $C纳米材料

古桔文, 白勇, 仇松柏, 张浅, 王铁军

2020, 33(3): 371-375. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1907142

[摘要](126) [HTML全文](76)

摘要:
采用改进的溶胶凝胶法，以天然磁铁矿为铁源，开发出一种制备过程简单且环境友好且低成本的磁性Fe$ _3 $C$ @ $C纳米材料制备策略.其中，柠檬酸作为多元羧酸络合剂，不但可以有效地溶解不同铁源，例如Fe、Fe$ _3 $O$ _4 $或天然磁铁矿，形成柠檬酸铁盐络合物；还可以在热解过程中作为碳源，形成包裹碳层.通过控制高温热解过程可以直接形成特殊的核-壳结构形态. Fe$ _3 $C$ @ $C纳米材料具有超顺磁性特性(38.09 emu/mg).

具有双重治疗机制的磁性纳米无定型氧化铁基药物递送系统

雷珊, 王黎安, 林福星, 曾琨, 汪谟贞, 葛学武

2020, 33(3): 376-384. doi: 10.1063/1674-0068/cjcp1906123

[摘要](118) [HTML全文](87)

摘要:
合成一种具有pH响应性的聚乙二醇(PEG)修饰无定形介孔氧化铁纳米粒子(AFe-PEG).这种纳米粒子可以高效负载药物分子如阿霉素(DOX)，构成新型多功能AFe-PEG/DOX药物递送体系. DOX的负载率高达948 mg/g-纳米粒子.在酸性溶液中，AFe-PEG/DOX纳米粒子不仅可以有效释放DOX，同时可以释放Fe离子进行Fenton反应，将H$ _2 $O$ _2 $转变成$ \cdot $OH自由基.体外实验结果表明，AFe-PEG/DOX纳米粒子对HeLa细胞同时具有化疗和化学动力学疗法的疗效.同时，由于AFe-PEG/DOX纳米粒子本身的磁性，使其在外部磁场中的细胞内化效率也得到了提高.

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