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近年来,探索颗粒物质的动力学行为已成为凝聚态物理一个新的研究热点,吸引了众多研究者的兴趣。本工作采用改进的机械能量损耗仪研究了几种常见颗粒体系的能量损耗行为,观测到一系列有趣的实验现象。通过对这些实验现象的讨论分析,深化了我们对颗粒物质在微剪切振动下内部运动规律的认识。
首先,我们研究了几种颗粒体系(沙子和玻璃珠等)的能量耗散与振幅的关系(振幅耗散谱),实验发现随着振幅的增加有一个能量耗散峰出现,而且该耗散峰会随着力学探针插入颗粒体系深度的增加面向高振幅段。基于对颗粒体系的介观分析,我们提出了一个流变耗散模型来解释观测到的实验现象。实验结果和流变模型一致表明,颗粒体系在微剪切振动下的能量耗散是由颗粒中不均匀力链结构的微小变动引起的。通过对沙子和玻璃珠不同耗散能力的对比,我们发现颗粒间的摩擦力在力学响应中扮演着两个不同的角色:耗散能量和增加体系弹性。进一步研究沙子颗粒体系的振幅耗散谱和时间耗散谱,我们发现了颗粒体系在微剪切振动下微观构型和力链结构转变的证据。颗粒体系能量耗散谱表现出来的记忆效应和老化效应都清晰的表明颗粒微观结构转变和体系能量耗散之间有对应关系。这为我们进一步研究颗粒体系的微观动力学机制提供了一个新的思路。
其次,我们研究了细沙体系的能量耗散与频率的关系(频率耗散谱),实验发现随着频率的增加依次出现四个能量耗散峰,在相应的锋位处体系模量出现软化。对比前面的流变耗散,我们认为颗粒体系的力链结构还存在另外一种耗散机制,也就是不同长度力链的共振耗散,这种耗散与剪切速度有关,它只在一定的频率作用下才会发生。比较分析不同振幅条件下的频率耗散谱,我们发现这种共振耗散对力链的强度十分敏感。
这些研究工作充分的说明,内耗技术完全可以应用于颗粒物质的微观结构及其力学性质的研究。同时,讨论分析也表明,颗粒物质的能量耗散机制与固体的内耗有很大不同。