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2016, 65 (21): 217502.
doi:10.7498/aps.65.217502
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磁制冷技术的发展取决于具有大磁热效应磁制冷材料的研发进展.经过长期的工作积累，特别是近20年来的努力，许多新型磁制冷材料的探索和研究极大地促进了磁制冷技术的进步.本文介绍了磁热效应的基本原理和磁制冷研究的发展历史，系统综述了低温区和室温区具有大磁热效应的磁制冷材料的研究进展，重点介绍了一些受到较为关注的磁热效应材料的最新研究成果.低温区磁制冷材料主要包括具有低温相变的二元稀土基金属间化合物（RGa，RNi，RZn，RSi，R3Co以及R12Co7）、稀土-过渡金属-主族金属三元化合物（RTSi，RTAl，RT2Si2，RCo2B2，RCo3B2）以及四元化合物RT2B2C等，其中R代表稀土元素，T代表过渡金属.这些材料一般都具有二级相变，具有良好的热、磁可逆性，也因其合金属性具有良好的导热性.室温区磁制冷材料主要包括Gd-Si-Ge，La-Fe-Si，MnAs基，Mn基Husler合金，Mn基反钙钛矿，Mn-Co-Ge，Fe-Rh以及钙钛矿氧化物等系列.这些材料一般都具有一级相变，多数在室温具有巨大的磁热效应而受到国内外的极大关注.其中，La-Fe-Si系列是国际上普遍认为具有重要应用前景的磁制冷工质之一，也是我国具有自主知识产权的材料.本文还对磁制冷材料的发展方向进行了展望.
2016, 65 (18): 186801.
doi:10.7498/aps.65.186801
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仿生多尺度超浸润界面材料是20世纪90年代末以来迅速发展起来的一类新型功能材料，该研究领域突出的特点是基础研究和应用研究密切结合、仿生理念与材料制备技术密切结合. 近年来，研究人员围绕仿生多尺度超浸润界面材料的构筑与应用中的若干关键科学问题开展了深入研究，取得了一系列有特色、有创新意义的研究成果，开发出了一系列的材料制备新方法和新技术. 本文首先介绍仿生多尺度超浸润界面材料的发展历程和固体表面浸润性的理论基础；然后讨论对自然界中具有特殊浸润性能的功能表面的原理揭示和仿生设计；对仿生多尺度超浸润界面材料的典型应用领域，例如自清洁、集水、防冰、油水分离以及化学反应等进行了总结；最后对仿生多尺度超浸润界面材料的发展前景进行了讨论.
2016, 65 (1): 018102.
doi:10.7498/aps.65.018102
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近年来, 层状二硫化钼由于其特殊的类石墨烯结构和独特的物理化学性质已成为国内外研究的热点. 本文综述了层状二硫化钼的物理结构、价带结构和光学性质; 介绍了制备方法, 包括生长制备和剥离制备. 生长制备的原料包括四硫代钼酸铵((NH4)2MoS4)、钼(Mo)和三氧化钼(MoO3)等. 剥离制备包括微机械剥离、液相超声法、锂离子插层法和电化学锂离子插层法等. 归纳了层状二硫化钼在场效应晶体管、传感器和存储方面的应用, 展望了层状二硫化钼的研究前景.
2016, 65 (1): 010502.
doi:10.7498/aps.65.010502
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基于Newell跟驰模型, 建立考虑车与车互联(vehicle-to-vehicle, V2V)通讯技术的单车道跟驰模型. 根据V2V技术的特征, 引入参数以表征驾驶员在收到V2V技术所提供的实时交通信息后的提前反应程度. 根据线性稳定分析方法, 得到V2V跟驰模型的中性稳定条件. 通过计算机的模拟, 研究V2V技术对交通流运行的影响, 分析小扰动下V2V跟驰模型对参数变化的敏感性, 研究不同 取值下交通流密度波及迟滞回环的变化. 研究发现: 1)与全速度差跟驰模型相比, 在引入V2V后, 交通流在加速起步、减速刹车及遇到突发事件时, 车辆运行的安全性和舒适性均得到不同程度的提升; 2) V2V跟驰模型对参数 及T的变化较为敏感, 且在交通流较为拥堵时, V2V技术的引入可以提升交通流的平均速度; 3)参数 的增大、T 的减小可以有效提升V2V跟驰模型在不同交通环境下的运行稳定性. 由于可以实时地获取交通流运行的状态并针对性地改变车辆自身的运行, V2V交通流跟驰模型提升了交通流运行的稳定性.
2016, 65 (19): 190502.
doi:10.7498/aps.65.190502
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采用二次型磁控忆阻器作为系统的正反馈项，设计了一个超混沌电路，建立了该系统的无量纲数学模型，探讨了忆阻器混沌系统与原混沌系统的不同之处.分析了系统的平衡点集和稳定性，发现系统继承了原系统的对称性，确定了系统参数所对应的稳定和不稳定区域分布，得到了系统的稳定和不稳定平衡点集.采用分岔图、Lyapunov指数谱、Poincar截面等分析方法，研究了系统的动力学行为随系统参数和忆阻器初始状态而变化的情况，观察到了混沌系统随忆阻器初值不同引起的吸引子共存和状态转移现象，结合相图与谱熵算法分析了状态转移现象.设计并实现了该系统的模拟电子电路，实验结果表明，电路实验结果与数值仿真结果相吻合，为忆阻器混沌电路的实际应用奠定了基础.
2016, 65 (3): 030101.
doi:10.7498/aps.65.030101
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针对无线传感器网络非测距定位方法的应用, 提出了基于质心迭代估计的节点定位算法. 该算法首先计算当前连通信标节点所围成的平面质心的坐标及其与未知节点间的接收信号强度, 然后用计算所得质心节点替代距离未知节点最远的连通信标节点, 缩小连通信标节点所围成的平面, 并通过多次迭代的方法提高节点定位精度. 仿真实验结果表明, 该算法的各项指标均为良好, 适用于无线传感器网络的节点定位.
2016, 65 (13): 130501.
doi:10.7498/aps.65.130501
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针对时间序列预测, 在单隐层前馈神经网络的基础上, 基于进化计算的优化策略, 提出了一种优化的核极限学习机(optimized kernel extreme learning machine, O-KELM)方法. 与极限学习机(extreme learning machine, ELM)方法相比, 核极限学习机(kernel extreme learning machine, KELM)方法无须设定网络隐含层节点的数目, 以核函数表示未知的隐含层非线性特征映射, 通过正则化最小二乘算法计算网络的输出权值, 它能以极快的学习速度获得良好的推广性. 在KELM的基础上, 分别将遗传算法、模拟退火、微分演化三种进化算法用于模型的结构输入选择、正则化系数以及核参数的优化选取, 以进一步提高网络的性能. 将O-KELM方法应用于标准Mackey-Glass混沌时间序列预测及某地区的风电功率时间序列预测实例中, 在同等条件下, 还与优化的极限学习机(optimized extreme learning machine, O-ELM)方法进行比较. 实验结果表明, 所提出的O-KELM方法在预测精度上优于O-ELM方法, 表明了其有效性.
2016, 65 (6): 064602.
doi:10.7498/aps.65.064602
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设计了一种多频局域共振型声子晶体板结构, 该结构由一薄板上附加周期性排列的多个双悬臂梁式子结构而构成. 由于多个双悬臂梁式子结构的低频振动与薄板振动的相互耦合作用, 这种局域共振型板结构可产生多个低频弯曲波带隙(禁带); 带隙频率范围内的板弯曲波会被禁止传播, 利用带隙可以实现对薄板的多个目标频率处低频减振. 本文针对这种局域共振型板结构进行了简化, 并基于平面波展开法建立了其弯曲波带隙计算理论模型; 基于该模型, 结合具体算例进行了带隙特性理论分析. 设计、制备了一种存在两个低频弯曲波带隙的局域共振型板结构样件, 通过激光扫描测振仪测试证实该结构存在两个低频带隙, 在带隙频率范围的板弯曲振动被显著衰减.
2016, 65 (11): 118701.
doi:10.7498/aps.65.118701
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皮层肌肉功能耦合是大脑皮层和肌肉组织间的相互作用, 脑肌电信号的多尺度耦合特征可以体现皮层-肌肉间多时空的功能联系. 本文引入变分模态分解并与传递熵结合, 构建变分模态分解-传递熵模型应用于脑肌间耦合研究. 首先基于变分模态分解将同步采集的脑电(EEG) 和肌电(EMG) 信号分别进行时频尺度化, 然后计算不同时频尺度间的传递熵值, 获取不同耦合方向(EEGEMG 及EMGEEG) 上不同尺度间的非线性耦合特征. 结果表明, 在静态握力输出条件下, 皮层与肌肉beta (1535 Hz) 频段间的耦合强度最为显著; EEGEMG 方向上脑电与肌电高gamma (5072 Hz) 频段的耦合强度总体上高于EMGEEG 方向.研究结果揭示皮层-肌肉功能耦合具有双向性, 且脑肌间不同耦合方向上、不同频段间的耦合强度有所差异.因此可利用变分模态分解-传递熵方法定量刻画大脑皮层与肌肉各时频段之间的非线性同步特征及功能联系.
2016, 65 (16): 168901.
doi:10.7498/aps.65.168901
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度量复杂网络中的节点影响力对理解网络的结构和功能起着至关重要的作用. 度、介数、紧密度等经典指标能够一定程度上度量节点影响力，k-shell和H-index等指标也可以应用于评价节点影响力. 然而这些模型都存在着各自的局限性. 本文基于节点与邻居节点之间的三角结构提出了一种有效的节点影响力度量指标模型（local triangle centrality，LTC），该模型不仅考虑节点间的三角结构，同时考虑了周边邻居节点的规模. 我们在多个真实复杂网络上进行了大量实验，通过SIR模型进行节点影响力仿真实验，证明LTC指标相比于其他指标能够更加准确地度量节点的传播影响力. 节点删除后网络鲁棒性的实验结果也表明LTC指标具有更好效果.
2016, 65 (17): 178701.
doi:10.7498/aps.65.178701
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从氨基酸序列出发预测蛋白质的三维结构是目前计算生物学和生物物理学领域最具挑战性和影响力的研究方向之一. 本文从结构预测的研究背景出发，简要介绍了它的理论意义、应用需求及基本现状；并根据结构预测的一般步骤，依次介绍了构象初始化、构象搜索、结构筛选、全原子结构重建、结构优化等基本预测过程；随后分基于模板和无模板两类，各列举了几种具有代表性的结构预测方法；最后对该领域的盛事国际蛋白质结构预测技术评估大赛（CASP）做了简单介绍.
2016, 65 (24): 240701.
doi:10.7498/aps.65.240701
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近年来，生物神经元模型的建立与应用已经获得了越来越多的关注，逐渐成为神经科学的一个重要分支.神经元模型不仅在仿生学、存储器设计、逻辑运算、信号处理等方面有重大应用，对分析研究神经系统的动力学特性也具有重要意义.本文总结了自1907年第一个神经元模型建立以来的发展历程，归纳出17种最具代表性的数学模型，分为电导依赖模型和非电导依赖模型进行比较分析，重点展示包括最新神经芯片TrueNorth上的神经元在内的5种经典模型，分析其仿真特性，以及电路实现的需求，方便研究者根据具体需求选择和改进神经元模型.
2016, 65 (23): 237902.
doi:10.7498/aps.65.237902
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近几年来，基于有机无机金属卤化物钙钛矿（ABX3）的太阳能电池由于其独特的物理化学性质受到了广泛的关注.这种钙钛矿材料具有很高的消光系数、较强的电荷传递能力、长的载流子寿命、长的载流子扩散距离以及特殊的双极性，同时低成本易制作.自2009年至今，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到了20.8%，使之成为最有可能在未来代替传统单晶硅太阳能电池的新型太阳能电池.同时，由于钙钛矿具有双极性，故钙钛矿太阳能电池的结构也有多种，最常见的结构有介孔结构、平面结构、介观超结构、无空穴传输层结构等.本文主要介绍钙钛矿太阳能电池的发展、电池结构及其对光电池性能的影响、钙钛矿薄膜的制备方法，同时探讨了钙钛矿在电子传输层上的吸附模型和电荷在电池界面中的传输机理以及界面工程，并介绍该类型电池在近期所获得的突破及未来可能的发展方向，以便对钙钛矿太阳能电池有进一步的了解.
2016, 65 (9): 094501.
doi:10.7498/aps.65.094501
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对在平面内大范围转动的大变形柔性梁动力学进行了研究, 基于绝对节点坐标法建立了一种新的大变形柔性梁的非线性动力学模型. 该动力学模型中考虑了柔性梁的轴向拉伸变形和横向弯曲变形, 利用Green-Lagrangian应变张量计算柔性梁的轴向应变及应变能, 利用曲率的精确表达式计算柔性梁的横向弯曲变形能. 运用拉格朗日恒等式给出了柔性梁横向弯曲变形能新的表达式, 该变形能表达式更加简洁, 通过新的变形能表达式得到了新的弹性力模型, 由此得到的动力学方程可以精确地描述柔性梁的几何大变形问题. 通过与高次耦合模型以及ANSYS中BEAM188非线性梁单元模型的比较, 验证了本模型在计算大变形时的正确性以及高次耦合模型在处理大变形问题时的不足. 进一步研究发现, 新的广义弹性力模型可以适当地简化, 给出了两种简化模型, 根据不同模型的计算效率以及计算精度的比较确定了不同模型的适用范围.
2016, 65 (2): 028902.
doi:10.7498/aps.65.028902
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多层网络是当今网络科学研究的一个前沿方向. 本文深入研究了两层星形网络的特征值谱及其同步能力的问题. 通过严格导出的两层星形网络特征值的解析表达式, 分析了网络的同步能力与节点数、层间耦合强度和层内耦合强度的关系. 当同步域无界时, 网络的同步能力只与叶子节点之间的层间耦合强度和网络的层内耦合强度有关. 当叶子节点之间的层间耦合强度比较弱时, 同步能力仅依赖于叶子节点之间的层间耦合强度; 而当层内耦合强度比较弱时, 同步能力依赖于层内耦合强度. 当同步域有界时, 节点数、层间耦合强度和层内耦合强度对网络的同步能力都有影响. 当叶子节点之间的层间耦合强度比较弱时, 增大叶子节点之间的层间耦合强度会增强网络的同步能力, 而节点数、中心节点之间的层间耦合强度和层内耦合强度的增大反而会减弱网络的同步能力; 而当层内耦合强度比较弱时, 增大层内耦合强度会增强网络的同步能力, 而节点数、层间耦合强度的增大会减弱网络的同步能力. 进一步, 在层间和层内耦合强度都相同的基础上, 讨论了如何改变耦合强度更有利于同步. 最后, 对两层BA无标度网络进行数值仿真, 得到了与两层星形网络非常类似的结论.
2016, 65 (1): 014704.
doi:10.7498/aps.65.014704
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基于高速摄像方法, 针对入水空泡流动特征和机理, 进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究. 通过对实验现象的观测, 发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式, 结合影像数据, 分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征, 并获得了空泡波动参数的变化规律; 对比不同入水速度实验, 分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响; 依据流体力学基本理论, 分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理. 结果表明: 随入水速度增加, 入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态, 波动频率与入水速度无关, 闭合发生时间随入水速度增加而减小, 与Froude数呈线性关系; 入水导致开放空腔内部气体涨缩, 引起开放端压力场和速度场周期性扰动, 空泡截面扩展程度出现差异, 形成空泡波动现象; 空泡闭合后尾部形成回射流, 回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩, 形成空泡云化现象.
2016, 65 (4): 048401.
doi:10.7498/aps.65.048401
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文章对基于磁共振的水下非接触式电能传输系统在海水中的传输机理以及电涡流损耗进行了分析. 首先基于互感模型, 建立了空气中磁共振非接触式电能传输系统的数学模型, 分析了系统的频率特性, 从理论上对频率分裂现象进行了解释. 然后针对海水环境, 通过麦克斯韦方程组建立系统的数学模型, 通过级数展开, 略去高阶项, 得到计算电涡流损耗的近似公式, 分析了电涡流损耗与线圈半径、谐振频率、传输距离、磁感应强度的关系, 为水下非接触式电能传输系统的总体设计提供了理论依据. 最后通过实验验证了在空气中和海水中进行非接触式电能传输的异同, 以及电涡流损耗与各项参数的关系. 实验表明: 在空气中当传输距离为50 mm、传输功率为100 W时, 效率在80%以上; 在海水中当传输距离为50 mm、传输功率为100 W时, 效率约为67%, 说明基于磁共振的水下非接触式电能传输系统在海水中也有很好的应用前景.
2016, 65 (13): 138401.
doi:10.7498/aps.65.138401
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对旋翼叶片回波建模与闪烁现象进行了综合研究. 基于散射点散射系数和分布情况, 构建了旋翼叶片回波的散射点模型, 并分析了散射点分布对回波的影响; 在此基础上研究了回波时域闪烁现象的物理散射机理, 并结合时频分析和横向分辨率分析了微多普勒特征及时频域闪烁现象; 对两类不同分布间隔的散射点模型进行了仿真, 并与积分模型进行对比性实验, 结果验证了闪烁现象物理分析的合理性. 该研究成果在旋翼目标的探测识别领域具有一定的理论与应用价值.
2016, 65 (18): 180501.
doi:10.7498/aps.65.180501
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由压控忆阻替换三维自激振荡系统的线性耦合电阻，实现了一种新型的四维忆阻自激振荡系统. 该系统不存在任何平衡点，但可生成周期、准周期、混沌等隐藏吸引子；特别地，当初始条件不同时，系统出现了不同拓扑结构混沌吸引子或准周期极限环与混沌吸引子的共存现象，以及准周期极限环与多种拓扑结构混沌吸引子的多吸引子现象. 理论分析、数值仿真和硬件实验的结果一致，表明了所提出的忆阻自激振荡系统有着十分丰富而复杂的隐藏动力学特性.
2016, 65 (4): 047201.
doi:10.7498/aps.65.047201
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VO2是一种热致相变金属氧化物. 在341 K附近, VO2发生由低温绝缘体相到高温金属相的可逆转变, 同时伴随着光学、电学和磁学等性质的可逆突变, 这种独特的性质使得VO2在光电开关材料、智能玻璃、存储介质材料等领域有着广阔的应用前景. 因此, VO2金属-绝缘体可逆相变一直是人们的研究热点, 但其相变机理至今未有定论. 首先, 简要概述了VO2相变时晶体结构和能带结构的变化情况: 从晶体结构来讲, 相变前后VO2从低温时的单斜相VO2(M)转变为高温稳定的金红石相VO2(R), 在一定条件下此过程也可能伴随着亚稳态单斜相VO2(B)与四方相VO2(A)的产生; 从能带结构来看, VO2处于低温单斜相时, 其d//能带和*能带之间存在一个禁带, 带宽约为0.7 eV, 费米能级恰好落在禁带之间, 表现出绝缘性, 而在高温金红石相时, 其费米能级落在*能带与d//能带之间的重叠部分, 因此表现出金属导电性. 其次, 着重总结了VO2相变物理机理的研究现状. 主要包括: 电子关联驱动相变、结构驱动相变以及电子关联和结构共同驱动相变的3种理论体系以及支撑这些理论体系的实验结果. 文献报道争论的焦点在于, VO2是否是Mott绝缘体以及结构相变与MIT相变是否精确同时发生. 最后, 展望了VO2材料研究的发展方向.
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