光束能量密度分析的案例
聲場中的能量關系：聲能量密度、聲能流密度、聲強
聲波是機械波的一種，其實質是能量的傳遞過程。
聲動能（kinetic energy）：
質點振動引起的能量變化。
聲勢能（potential energy）：
介質形變引起的能量變化。
聲能：
由于聲波傳播而引起的介質能量的增量。
一、聲能量密度E0
定義：聲能量密度：聲場中單位體積介質所具有的機械能為聲場的聲能密度。記E0。
聲能密度的量綱：
（MKS）制中，基本單位：J/m3
下面分析聲能密度E0與基本聲學量的關系：
聲場中任意一個質量為m0體積為V0的質團；
動能：
勢能：質團由平衡狀態（V0，P0）至（V，P）狀態，聲壓所作的功
圖中陰影部分
所以，聲場中質量為m0體積為V0的質團的機械能：
據定義，聲場中單位體積介質所具有的機械能為聲場的聲能密度，有：
二、聲能流密度
定義：單位時間內通過與聲波能量傳播方向垂直的單位面積的聲能為聲能流密度，它是一個向量。
（MKS）制中，基本單位：J/m2s=W/m2
據能量守恒定律，參照連續性方程的推導方法，可得聲能量密度E0與聲能流密度的關系：
聲能量密度的時間變化率等于聲能流密度的散度的負值。
據與基本聲學量的關系式和上式，可得與基本聲學量的關系：
推導過程中用到三個基本方程（連續性方程、狀態方程、運動方程）：
結論：聲場的聲能流密度為該點聲壓與質點振速的乘積，方向為該點質點振動的方向。
聲能通過單位面積的能流瞬時值在數量上等于該點聲壓和質點振速的乘積。
聲能流的傳播方向沿著介質質點振速的方向。
展開 設計仿真 | 基于開裂能量密度方法的橡膠件疲勞壽命分析
在橡膠件CAE仿真分析中，橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析相對容易，但是如何進行橡膠疲勞壽命的分析當前還是困擾工程師的一個難題。
Marc在橡膠、密封行業有著廣泛的應用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現：
01
Mullins效應
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
02
彈性體疲勞壽命損傷理論
?通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析，基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
03
基于開裂能量密度
? 通過開裂能量密度的方法進行疲勞壽命的計算，基于裂紋擴展的基本假設，考慮拉伸載荷作用和平均應力的修正，并給出關鍵區域的開裂方向。相對于上面的方法，其分析精度較高。
開裂能密度理論介紹
基于開裂能量密度(CED)的彈性體方法屬于裂紋擴展方法的范疇，該方法假設材料中總是存在小裂紋，例如尺寸為c0，并且由于循環載荷，它們會生長，直到達到材料被認為失效的尺寸。假設初始裂紋尺寸c0是材料的特征參數，由于循環載荷，這些裂紋不斷擴展，直到達到材料失效的尺寸cf。裂紋擴展速率r具有冪律的形式：
裂紋擴展速率被定義為每循環次數變化的裂紋尺寸變化dc/dN。其中，Tmax是加載循環中的最大能量釋放率（撕裂能量）。Tc是立即發生斷裂的Tmax的臨界值，rc是對應于Tc的最大裂紋擴展速率。
展開 設計仿真 | 基于開裂能量密度方法的橡膠件疲勞壽命分析
01Mullins效應
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
02彈性體疲勞壽命損傷理論
?通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析，基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
03基于開裂能量密度
? 通過開裂能量密度的方法進行疲勞壽命的計算，基于裂紋擴展的基本假設，考慮拉伸載荷作用和平均應力的修正，并給出關鍵區域的開裂方向。相對于上面的方法，其分析精度較高。
開裂能密度理論介紹
基于開裂能量密度(CED)的彈性體方法屬于裂紋擴展方法的范疇，該方法假設材料中總是存在小裂紋，例如尺寸為c0，并且由于循環載荷，它們會生長，直到達到材料被認為失效的尺寸。假設初始裂紋尺寸c0是材料的特征參數，由于循環載荷，這些裂紋不斷擴展，直到達到材料失效的尺寸cf。裂紋擴展速率r具有冪律的形式：
裂紋擴展速率被定義為每循環次數變化的裂紋尺寸變化dc/dN。其中，Tmax是加載循環中的最大能量釋放率（撕裂能量）。Tc是立即發生斷裂的Tmax的臨界值，rc是對應于Tc的最大裂紋擴展速率。裂紋壽命計算表達式如下：
假設小裂紋的能量釋放率與裂紋的尺寸c成比例，如下所示：
同時，最大的能量釋放率可以表達為如下形式：
可得出，疲勞壽命的計算公式如下：
應該要指出的是，裂紋能量密度不僅取決于應力和應變狀態，還取決于假定裂紋平面的方向。因此，在實際計算中需要進行關鍵平面搜索，以評估使疲勞壽命最小化的方向。
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在橡膠件CAE仿真分析中，橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析相對容易，但是如何進行橡膠疲勞壽命的分析當前還是困擾工程師的一個難題。
Marc在橡膠、密封行業有著廣泛的應用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現：
01 Mullins效應
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
02 彈性體疲勞壽命損傷理論
?通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析，基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
03 基于開裂能量密度
? 通過開裂能量密度的方法進行疲勞壽命的計算，基于裂紋擴展的基本假設，考慮拉伸載荷作用和平均應力的修正，并給出關鍵區域的開裂方向。相對于上面的方法，其分析精度較高。
開裂能密度理論介紹
基于開裂能量密度(CED)的彈性體方法屬于裂紋擴展方法的范疇，該方法假設材料中總是存在小裂紋，例如尺寸為c0，并且由于循環載荷，它們會生長，直到達到材料被認為失效的尺寸。假設初始裂紋尺寸c0是材料的特征參數，由于循環載荷，這些裂紋不斷擴展，直到達到材料失效的尺寸cf。裂紋擴展速率r具有冪律的形式：
裂紋擴展速率被定義為每循環次數變化的裂紋尺寸變化dc/dN。其中，Tmax是加載循環中的最大能量釋放率（撕裂能量）。Tc是立即發生斷裂的Tmax的臨界值，rc是對應于Tc的最大裂紋擴展速率。
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高斯光束能量不均影響加工？看OAS實現均勻重塑
平頂光束整形案例分析
簡介
在材料加工、激光手術等前沿領域，高斯光束因具有獨特的能量分布特性而被廣泛應用。然而，其中心強度過高的特性卻成為限制應用效果的關鍵因素。在材料加工中，過高的中心強度易導致材料局部過度燒蝕，造成加工精度下降、表面質量受損；于激光手術場景下，高強度的光束中心可能對周圍健康組織產生不可逆的損傷，影響手術安全性與治療效果。因此，將高斯光束整形為強度分布均勻的平頂光束，成為提升相關領域應用效能的核心需求。
實驗設置與操作
參數配置
采用單個非球面透鏡作為關鍵整形元件，對束腰半徑為 4mm 的高斯光束進行整形操作，目標是將其轉換為半徑 200μm 內的平頂光束。
光源設置
選用波長為 532nm 的高斯光源，該波長在眾多光學應用中具有良好的穿透性與穩定性；光源束腰半徑設定為 4mm×4mm，偏振態確定為 x 方向線偏。同時，依據非球面透鏡的光學特性，在軟件中細致定義其面型參數、材料折射率等關鍵數據，構建完整的光學仿真模型，確保模擬過程與實際物理現象高度契合。
總結
本案例充分展現了 OAS 光學分析軟件在復雜光學系統設計與優化中的強大功能。通過軟件對高斯光束整形的精確模擬，不僅驗證了單個非球面透鏡實現光束整形的可行性，更為實際工程應用提供了可靠的技術方案與數據支持。
展開 新能源車常說的“電池能量密度”，到底是什么？
什么是電池能量密度？
研究小組發現 防止氧氣釋放可使高能量密度電池更安全
Nakamura表示：“此次發現將有助于進一步開發由過渡金屬氧化物組成的高能量密度和強大的下一代電池。”
-END-
日本開發新型無負極鋰金屬電池 能量密度高/壽命長
該電芯的重量能量密度為320 Wh kg-1，經過300個運行周期后，可保持80%的容量。
該團隊提出的無負極設計，或將有助于解決鋰金屬電池的一些常見問題，推動開發更安全、能量密度更高、壽命更長的鋰基充電電池。
-END-
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新型鋰離子電池：模仿人體脊椎，能量密度高，柔性好！
Yang 表示：“我們原型的能量高密度是目前為止所報道的產品中最高的之一。我們已經開發出一種簡單且可擴展的方案，用于制造這種脊椎般的鋰離子電池，它將具有優異的電化學和機械特性。我們的設計對于第一代柔性商用鋰離子電池來說，是非常有前途的候選方案。我們現在正在優化設計并改善性能。”
南京大學張曄課題組《Angew》：一種高能量密度的鎂空氣電池！
植入式電子器件需要高能量密度且生物安全的能源系統為其供電。鋰、鈉等金屬離子電池能量密度較低，鋅、鋁等金屬空氣電池通常需要使用堿性電解質，生物毒性較大。
鎂空氣電池具有較高的理論能量密度，使用中性電解質，且鎂生物安全性較高，是一種較為理想的體內能源設備。然而，目前報道的鎂空氣電池實際能量密度低，一方面是由于鎂負極和水系電解質容易發生腐蝕反應。另一方面放電產物氫氧化鎂會附著在鎂金屬表面，阻止電解質和鎂的接觸，使放電反應停止，降低鎂負極的利用率。
南京大學張曄課題組等設計了一種雙層凝膠電解質，實現了對鎂金屬負極的保護以及對放電產物的調控，獲得了具有高能量密度的鎂空氣電池（2282 W h·kg-1，基于全部空氣電極和鎂負極的質量），遠高于目前文獻中采用合金化負極和抗腐蝕電解液等策略的鎂空氣電池。該研究成果以“High-energy-density magnesium-air battery based on dual-layer gel electrolyte”為題發表于國際知名學術期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202104536
雙層凝膠電解質是由聚氧化乙烯有機凝膠和聚丙烯酰胺水凝膠組成，兩層凝膠可以形成穩定界面，其中聚氧化乙烯有機凝膠有效保護鎂金屬，抑制腐蝕。聚丙烯酰胺水凝膠電解質不僅為空氣電極發生的氧還原反應提供了必要的水，而且研究發現當使用含氯金屬鹽(氯化鋰、氯化鈉)的水凝膠時，鎂空氣電池的放電產物為具有獨特針狀結構的Mg2Cl(OH)3，而不是文獻中通常報道的致密的氫氧化鎂。
展開 合成“金屬氮”能量密度為TNT十倍多
在極端高溫高壓條件下，氮分子會發生一系列復雜的結構和性質變化，比如分子發生解離進而發生聚合作用形成聚合氮或進一步形成“金屬氮”，這兩種形態的氮材料都是典型的超高含能材料，是目前常用炸藥TNT能量密度的十倍以上，如果能作為燃料應用于載人火箭一、二級推進器，有望將目前火箭起飛重量提升數倍以上。然而，“金屬氮”并不容易獲得，需要高達百萬大氣壓(GPa)的極端高壓和幾千度的高溫條件。
科研人員以普通氮氣為原材料，引入了脈沖激光加熱技術和超快光譜探測方法，建成了集高溫高壓產生及物性測量的原位綜合實驗系統。利用綜合實驗系統，研究人員獲取了高達170GPa、8000K高溫高壓極端條件，并在此條件下原位研究了氮分子在絕緣體—半導體—金屬轉變過程中的光學吸收特性和反射特性，確定了氮分子解離的相邊界及“金屬氮”合成的極端壓力溫度條件范圍，原位光譜分析研究也進一步證實了實驗中確實合成了具有半金屬性質的聚合氮和具有完美金屬特性的“金屬氮”。
該成果不僅能夠對其他形式高能氮材料的合成提供指導，也為未來“金屬氫”的成功合成奠定了重要基礎。
文章來源：科技日報
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矛頭直指能量密度 電動汽車頻頻著火說明什么問題
而純電動乘用車補貼政策，2017年，在90≤E[能量密度E(Wh/kg)]<120時，補貼系數為1，2018年的補貼系數則為0.6；2017年，E>120時，補貼系數為1.1，2018年，140≤E<160，補貼系數才為1.1。
目前已有寧德時代、國軒高科和力神電池等多家電池企業開發出了電芯單體比能量達300wh/kg的樣品，國內提高能量密度的呼聲也是一浪高過一浪。
新能源汽車國家補貼2020年結束，王子冬認為，其實補貼可以降，但不能過多地提(電池能量密度)指標，在政策的科學性、合理性以及可操作性上，有待商榷。
“不能又降補貼指標，又加新的指標、提高能量密度，這就亂了套了，這樣企業往往追求能量密度，就不管別的了。其實是有辦法解決的，只是沒有給科學家時間，因為驗證時間來不及了。”
但他和那位主機廠的電池工程師同時也認為安全是相對的，沒有絕對的安全，不能過分偏見，“媒體要容忍，現在鼓勵創新多難啊。”
的確，高能量密度的動力電池是新能源汽車行業發展的需求，但首先需要考慮的還是電池安全。企業應該在追求能量密度和安全性之間找到一個合適的平衡點，這才是確保行業長期健康發展的做法。
展開 重大《ACS AEM》：高能量密度鋰金屬電池用混合準固態電解質！
此外，固態電解質的使用將促成固態鋰金屬電池，其提供更高的能量密度，而且固態電解質因為具有寬的電化學穩定窗口，可以通過配對高電位正極材料來實現高能量密度電池。
探索具有優異離子導電性、寬電化學穩定窗口、與鋰金屬相容性好和易于加工的準固態電解質仍然是一個挑戰。
在本項工作中，重慶大學宋樹豐教授團隊將三種材料通過復合混合設計制備得到了一種鋰金屬電池用混合準固態電解質，其中聚環氧乙烷用作聚合物主體，并確保了與鋰金屬的界面相容性，高導電性和熱穩定性的離子凝膠旨在抑制聚環氧乙烷結晶并提高其導電性，而石榴石導體增強了機械和電化學穩定性。這種復合混合設計制備的準固體電解質，不僅表現出
7.4×10 S cm?1
的高離子電導率，也將電化學穩定窗口擴展至
5.5 V
，且通過
XPS
證明復合混合準固態電解質的相互作用和整體結構，此外，復合混合準固體電解質還能抑制鋰枝晶生長。相關論文以題目為
“Composite Hybrid Quasi-Solid Electrolyte for High-Energy Lithium Metal Batteries”
發表在
ACS Applied Energy Materials
上。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsaem.1c01281
固態電解質通常分為兩類：無機陶瓷和有機聚合物。與無機陶瓷相比，固態聚合物電解質具有柔性好、易加工、界面接觸好等優點。目前比較流行用作鋰電池電解質的聚合物是聚環氧乙烷，然而聚環氧乙烷型固態電解質的低離子電導率限制了其在電化學裝置中的應用，而離子傳輸是電池中電解質最重要的功能。
展開 研發氟離子電池 能量密度比鋰電池高10倍
本田研究所（Honda Research Institute）科學家正與加州理工學院（Caltech）和美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的研究人員合作，一起研發了一種新型電池化學物，可比現有電池中采用的材料能量密度更高、更環保。
研究團隊通過克服目前氟離子電池（FIB）技術的溫度限制，演示氟離子電池在室溫下操作的過程，為研發能夠滿足快速增長儲能需求的高能量密度電池開辟了新機會。
本田研究所首席科學家Christopher Brooks博士表示：“氟離子電池提供了一種前景廣闊的新型電池化學物質，其能量密度是目前鋰電池的十倍。與鋰離子電池不同，氟離子電池不會因過熱而造成安全風險，而且獲得氟離子電池原料所產生的環境影響遠小于提取鋰和鈷造成的環境影響。”
氟離子電池提供了一種具吸引力的替代方案，可以替代其他類型的高能量電池，例如基于鋰或金屬的氫化物化學的電池，此類電池通常受到電極固有特性的限制。由于氟的原子質量低，基于該元素的可充電電池的能量密度非常高，理論上比鋰離子電池高10倍。但是，雖然氟離子電池被認為是“下一代”高能量密度儲能設備，但是受溫度要求的限制。
目前，固態氟離子電池需要在150攝氏度以上的高溫下工作，才能使電解質具導電性。為了解決該問題，研究人員找到一種方法，使氟離子電池能夠在室溫下工作。研究人員利用溶解在有機氟化醚溶劑中的干燥的四烷基銨氟化物鹽開發出了此種電解質，當與具有銅、鑭和氟的核殼納米結構的復合陰極配對使用時，研究人員證明了室溫下可逆的電化學循環。
未來，氟離子電池可為電池驅動的電動汽車提供動力，該電池容量高的特性使其成為電力產品的理想選擇。
來源：蓋世汽車網
展開 同時解決兩個瓶頸，實現高能量密度全固態鋰電池
因此，這項研究提供了一個非常有前途的固體電解質設計策略，以同時滿足高離子電導率和良好的界面相容性，從而實現高能量密度全固態鋰電池。
圖1|帶有3D硫化物骨架的原位集成ASLB示意圖。
圖2| p-LPSCl的結構分析
圖3| 3D復合材料的表征。
圖4|σLi+和不同固體電解質的促進因子。
圖5| Li+在3D復合材料內的遷移行為。
圖6| 原始和熱處理后的鋰-鋰對稱電池的電化學阻抗譜圖
圖7| ASLBs的電化學性能。
圖8|(a)原位集成NCM811|3D復合材料|Li的循環行為。
總之，高導電3D復合材料是通過在自支撐3D多孔骨架(p-LPSCl)內原位聚合PEGMEA單體而制備的。3D復合材料在室溫下的離子電導率為4.6×10-4S·cm-1。值得注意的是，通過將3D復合材料原位集成到ASLBs中，界面阻抗從709 Ωcm2顯著降低到112 Ωcm2。LiCoO2|Li和NCM811|Li的堿性電池表現出138和193 mAh/g的高初始放電容量，隨后循環電流效率超過99%。因此，這項工作提供了一個非常有前途的設計固體電解質的策略，以滿足高離子電導率，進而保存良好的陰極微結構和界面相容性的實際全固態電池。
（文：SSC）
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