振動(dòng)的琴弦可持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，而某些材料在沒有外部激勵(lì)時(shí)會(huì)很快停止振動(dòng)，兩者的差異通常由材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)的耗散導(dǎo)致，物理上稱之為“內(nèi)耗”，即固體振動(dòng)過程中的能量耗散，表征材料的阻尼性能。作為多晶材料重要的內(nèi)耗源，晶界力學(xué)弛豫會(huì)引起內(nèi)耗。  

1947年，中國(guó)科學(xué)院院士葛庭燧首創(chuàng)可測(cè)量低頻內(nèi)耗的“葛式扭擺”，在多晶鋁中發(fā)現(xiàn)晶界內(nèi)耗峰（又稱“葛式峰”），并用晶界粘滯性滑動(dòng)模型給予解釋，為“滯彈性”學(xué)科點(diǎn)定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。此后，科研工作者們測(cè)量了許多多晶材料的內(nèi)耗譜，但得到差異很大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中有的材料并不出現(xiàn)晶界內(nèi)耗峰，有的材料則出現(xiàn)多個(gè)晶界內(nèi)耗峰。基于晶界粘性滑動(dòng)假設(shè)的已有理論難以解釋這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。  

近期，中科院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從微觀變形機(jī)理出發(fā)，就晶界中粘彈性蠕變與擴(kuò)散耦合，發(fā)展了用于描述晶界中粘彈塑性變形的數(shù)值方法，以研究多晶體中晶界弛豫引起的內(nèi)耗。通過建立三維多晶模型，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算了損耗模量頻率譜，發(fā)現(xiàn)除晶界切向應(yīng)力的弛豫會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗譜上產(chǎn)生耗散峰外，晶界法向應(yīng)力的弛豫也會(huì)引起耗散峰的出現(xiàn)。這一雙峰弛豫臨界頻率與晶粒尺寸d 具有不同的冪律關(guān)系，其中低頻峰臨界頻率正比于d ^-3，高頻峰臨界頻率正比于 d ^-1。研究?jī)蓚€(gè)耗散峰存在條件，發(fā)現(xiàn)高頻的“葛式峰”由晶界的粘滯性滑移引起，低頻峰由晶界的法向弛豫導(dǎo)致。該工作有助于研究晶界內(nèi)耗峰的物理機(jī)制，以及地震波在多孔介質(zhì)以及顆粒材料傳播過程中的衰減。  

相關(guān)成果以Scaling of internal dissipation of polycrystalline solids on grain-size and frequency為題，發(fā)表在Acta Materialia上，博士研究生段闖闖為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院以及復(fù)雜系統(tǒng)力學(xué)卓越創(chuàng)新中心的支持。 

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135964542030793X?via%3Dihub

 三維多晶的內(nèi)耗峰尺寸效應(yīng)：(a)：Wigner-Seitz 模型。(b)：不同晶界體積分?jǐn)?shù) Φ 下的多晶體的損耗模量頻率譜。高頻峰對(duì)應(yīng)于“葛式峰”，由晶界的粘滯性滑動(dòng)引起；低頻峰是新發(fā)現(xiàn)的耗散峰，由晶界的法向弛豫引起;。(c)：兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的臨界頻率值與晶界體積分?jǐn)?shù) Φ 的關(guān)系。晶界體積分?jǐn)?shù)  Φ 與晶粒寸尺 d 成反比，低頻峰臨界頻率正比于 d ^-3，高頻峰臨界頻率正比于 d ^-1