聚集态颗粒物质的低频力学谱研究

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颗粒物质是软物质的重要组成部分。探索颗粒物质的动力学行为已成为软凝聚态物理研究的前沿领域。颗粒间接触力是决定颗粒物质力学性质的关键因素,而接触力的大小取决于颗粒的弹性模量和颗粒间接触形变量,但是实验上很难在三维颗粒体系中直接研究颗粒链间相互作用及其力学性质。本工作利用改进的低频力学谱技术,研究了几种常见颗粒体系(细沙、铝粉以及铁粉)的相对能量耗散性质,通过颗粒链的共振峰来定量表征微观颗粒链的力学性质。  利用低频力学谱技术,研究了颗粒物质(细沙、铝粉以及铁粉)在外加压强下的低频力学行为,发现其力学损耗随频率变化曲线上存在一系列分散的耗散峰,模量相应出现极小值。该峰与颗粒的种类、粒径大小、表面粗糙度以及系统的共振频率均无关。认为该耗散峰对应于颗粒内部的精细结构,是不同长度颗粒链的共振耗散引起的。假定颗粒链是由两个颗粒组成的弹簧(基元)串联起来的,可以理论推导出不同长度颗粒链共振频率之间的比值,通过与实验值相比较发现它们几乎一致,这进一步证实耗散峰来源于不同长度颗粒链的共振耗散。更有意义的是,对于实验中三种不同类型(杨氏模量E,密度ρ和泊松比v)的颗粒体系,颗粒链的共振频率f与形变量δ之间存在普适的关系式:f2∝δ1/2 E/ρ(1-v)。在外压强p作用下的颗粒链的形变量满足δ∝p2/3。这些研究结果表明低频微剪切振动下颗粒链间的力学性质主要由Hertz定律决定。  利用低频力学谱技术,测量了几种颗粒物质(细沙、铝粉以及铁粉)的能量耗散性质与剪切应变振幅A0,作用在颗粒体系上的外压强p以及剪切频率f之间的关系曲线。实验发现颗粒体系能量耗散—振幅曲线上出现一个明显的耗散峰,同时对应的模量曲线呈现下降趋势。升高测量频率或逐渐增大外压强,该耗散峰均向高振幅端移动。基于介观流变模型,认为颗粒体系内部不均匀力链的微小变动是体系能量耗散的主要原因。
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