颗粒体系电阻值对压应力的响应特性研究

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颗粒物质是指尺度在10-4m-104m之间固体物质的聚集状态。不同于固体、液体、气体,颗粒物质是一种内部具有强烈耗散作用、非线性的、具有独特运动规律的一类物质,属于软物质的一个分支。这类物质广泛存在于工业生产和日常生活中,从建筑业中的水泥、沙石堆到农业生产中的谷物、瓜果、再到自然环境中的沙尘、泥土都属于颗粒物质的范畴。由于颗粒物质的运动影响着许多自然现象,例如沙尘暴的运动和泥石流的形成,以及谷物存储的粮仓效应和瓜果蔬菜运输过程中的巴西果效应,他们都和颗粒物质息息相关。所以研究颗粒物质的特性对于认识和解决这些自然现象有着重要的实际意义。  近年来颗粒物质的独特特性吸引了一批优秀的科学家投身其中,颗粒物理的研究蓬勃发展。但目前对于颗粒物质内部传导特性的研究还不是很充分,特别是对于颗粒物质内部电学传导特性的研究还比较少。颗粒物质的导电特性,不仅与颗粒材料本身特性有关,还与颗粒物质内部颗粒的排布、颗粒间表面的状态、形变规律、与容器的相互作用以及外界的电学、力学扰动有着密切的联系。目前对于颗粒物质内部的导电机制还没有完全厘清,研究也大都集中在金属颗粒上,对于非金属导体的研究较少。同时颗粒物质的传导特性与内部力学结构和受力有着密切的关系,所以有必要研究颗粒物质中力对体系电阻的影响。  本文首先从赫兹接触理论和江森模型出发,推导出了颗粒体系电阻随外界压力的响应关系以及底部饱和压强与自身厚度的变化关系。同时结合两种理论,将外界压力表示成厚度的函数,提出了颗粒体系电阻随体系厚度变化的理论模型。为了验证理论有效性,本文主要测量了颗粒体系在外加连续力作用下电阻的变化情况。首先利用欧姆定律测量了轴向的电阻随压力的变化情况,观察实验现象并总结了实验规律;为了验证和比较不同材料中的变化规律,我们同时测量了竹炭颗粒和导电塑料颗粒。同时,还测量了颗粒体系的横向电阻变化随压力的变化,并利用幂律函数拟合实验结果。通过对实验数据的拟合,发现利用分段函数拟合式与实验曲线符合较好。最后,考虑到体系内应力分布不均,同时测量相同厚度下分层的电阻随外加应力的变化情况,总结变化规律,发现体系内部的轴向受力呈现非均匀变化。进一步测量了准静态下颗粒体系电阻随厚度的变化情况,分析实验曲线发现压力饱和效应,与理论趋势符合较好。
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