PROGRESS IN THE BIONIC STUDY ON GECKO＇S MICRO-ADHESION MECHANISM

本文针对壁虎粘附系统最小单元的真实形状, 类似于有限尺寸纳米薄膜的铲状纤维, 综述了对其微观粘附力学机制主要影响因素的多个研究, 主要考虑了有限尺寸纳米薄膜长度、厚度、撕脱角等对撕脱力的影响; 物体表面粗糙度以及环境湿度等对粘附的影响因素; 包括实验、理论及数值模拟的研究及结果比较. 最后给出仿生粘附力学方向仍然存在的主要科学问题及进一步的研究展望.     

一类功能梯度材料表面接触力学研究进展

针对一类杨氏模量梯度变化的功能梯度材料, 考虑摩擦、微动磨损和黏附等因素, 综述了梯度材料有限尺寸、梯度变化规律、梯度涂层厚度、界面摩擦热、压头形状等对表面接触力学性能的影响; 根据不同接触模型中接触界面应力场分布, 分析多种因素影响下功能梯度材料表面抵抗磨损的能力; 最后给出了功能梯度材料接触力学研究中仍存在的主要科学问题及进一步研究展望.      

基体偏压对反应磁控溅射ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜结构及性能的影响

采用中频磁控溅射技术在3种偏压条件下(0、-80、-300V)于AISI 440C钢及单晶Si(100)基体表面制备了ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜.通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表征了各纳米多层薄膜微观组织结构,并通过纳米压入仪与真空球-盘摩擦试验机分别测试了各薄膜力学及真空摩擦学性能.重点研究了基体偏压对ZrN/α-SiNx纳米多层薄膜微观组织结构,进而对其力学及摩擦学性能的影响机制.结果表明:较低的基体偏压会导致纳米多层薄膜中ZrN层差的结晶状态,而较高的基体偏压则易于引起ZrN层与SiNx层层间界面的交混.上述两种薄膜组织及结构的变化均不利于该纳米多层薄膜力学及摩擦学性能的改善.在适宜的偏压条件下(-80 V),ZrN/d-SiNx薄膜呈现出具备良好层间界面的晶体/非晶体纳米多层结构,与其他偏压条件制备的纳米多层薄膜相比,该薄膜表现出更好的力学及摩擦学性能.     

Cr—Ni—N复合薄膜的制备及其摩擦磨损性能初探

采用多弧离子镀技术在9Cr18钢基体上制备了Cr-Ni-N复合薄膜,初步研究了复合薄膜的制备工艺、结构、摩擦学性能及力学性能.结果表明,所制备的复合薄膜具有纳米尺寸的多相结构;氮气流量对薄膜的相组成有明显影响;复合薄膜的硬度较高,韧性和抗磨性能良好.     

用侧向力显微镜对不同非晶态GeSbTe薄膜的摩擦性能研究

采用侧向力显微镜研究了磁控溅射方法制备的GeSbTe薄膜在大气环境中的纳米级摩擦性能,考虑了相对湿度、扫描速度及表面粗糙度对其摩擦性能的影响,对比不同成分的GeSbTe薄膜的摩擦特性.结果表明:在相对湿度较大时,扫描速度对针尖和GeSbTe薄膜之间的摩擦力影响很大;在其它条件相同、外加载荷较大时,同一载荷下的摩擦力与表面粗糙度呈线性关系,但在外加载荷较小的情况下,二者呈现非线性变化规律;相对湿度对Ge2Sb2Te5薄膜和针尖的粘附力影响较GeSb2Te4薄膜弱,且粘附力使得摩擦系数减小;在同一相对湿度下,由于薄膜成分的变化导致硬度不同,其对薄膜的摩擦性能也有一定影响.     

纳米力学的数值模拟方法

纳米力学是一支新兴学科,主要研究100nm以下尺度上物质的行为和变化规律.物质在纳米尺度上所具有的特殊效应如量子效应、微尺度效应等导致了其特异的性能和行为.人们对纳米力学行为的认识,目前主要通过试验观测和数值模拟等方法.本文概要回顾了分子动力学模拟、蒙特卡罗模拟等纳米力学计算方法的研究进展及现状,提出了以量子力学为基础、多学科交叉、多层次融合发展纳米力学研究方法的构思,并对纳米力学研究方法所面临的问题及其发展趋势做了初步展望.      

磁场力及膜曲率对磁敏感薄膜-基底界面 黏附性能的影响与调控

界面黏附和脱黏的可调控在攀爬装置、黏附开关、机械抓手等方面具有重要的应用需求. 针对磁敏感薄膜-基底界面, 开展了薄膜初始曲率及外加磁场对界面黏附性能影响机制的研究. 首先实验制备了具有初始曲率的磁敏感薄膜, 分别开展了具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面撕脱实验及理论研究, 研究了薄膜初始曲率、弯曲刚度和外加磁场强度对界面黏附性能的影响规律. 实验和理论结果一致表明: 具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面黏附力随薄膜初始曲率的增大而减小, 而外加磁场能够有效提高界面黏附力;相比于初始零曲率薄膜-基底界面稳态撕脱力与薄膜弯曲刚度无关, 薄膜弯曲刚度减弱了具有初始曲率薄膜-基底界面的稳态撕脱力. 进一步从能量角度分析了界面等效黏附性能, 揭示了薄膜弯曲能、磁场势能、界面黏附能的相互竞争机制. 最后, 基于本文的实验及理论结果, 提出了一种磁场和薄膜初始曲率协同调控的简易机械抓手, 可连续实现物体的拾取、搬运和释放功能. 本文结果不仅有助于理解多场调控的界面可逆黏附机制, 对界面黏附可控的功能器件设计亦提供了一种新方法.      

分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应

对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟．模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响．自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制．受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜．纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合Griffith理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性．     

磁控溅射法制备Au薄膜及真空载流摩擦学行为研究

针对空间滑动电接触金基润滑涂层在制备方法以及失效机理认识方面存在的不足,探索采用绿色磁控溅射法制备金薄膜. 研究了偏压对薄膜微观结构、力学以及真空载流摩擦学性能的影响规律;建立了真空载流服役工况摩擦试验评价条件,可实现接触电流噪音的实时监测,进一步对比传统电镀金涂层,研究了其真空载流摩擦磨损行为差异、主要影响因素及作用机制. 结果表明:在适中的偏压下,薄膜晶粒尺寸小,结构致密光滑,具有高的结合力、硬度、耐磨性以及低的接触电流噪音. 相比于电镀法,磁控溅射法制备的金膜表现出明显光滑致密的结构特征,硬度、磨损率和接触电流噪音大幅改善. 其中光滑致密的结构是抑制微电弧产生的关键因素,可有效减少电弧侵蚀失效.      

C/N共掺MoS2复合薄膜的微结构及其摩擦特性研究

采用射频磁控溅射法,在氩和氮混合气氛下共溅射二硫化钼和石墨靶制备不同石墨靶溅射功率的C/N共掺MoS_2复合薄膜(MSCN).通过EDS、XPS、SEM和TEM对薄膜的成分及微观组织结构进行分析;利用纳米压痕仪,高真空摩擦试验机和UMT-2摩擦试验机分析薄膜的力学和摩擦学性能,并探讨了C/N共掺及对薄膜结构、力学和摩擦学性能的影响.结果表明:MSCN复合薄膜中的C含量随着石墨靶溅射功率的增加而增加;C/N共掺使得薄膜结构致密平整;当石墨靶溅射功率350 W时,薄膜呈现自形成纳米多层结构,该结构的出现使得薄膜最高硬度可达9.76 GPa,并且在高真空和大气环境下相比纯MoS_2薄膜表现出更低的摩擦系数以及良好的高耐磨性.     

CD44-配体相互作用的生物力学与功能调控

作为一种广谱表达的细胞粘附分子, I型跨膜糖蛋白CD44(cluster of differentiation 44)参与细胞增殖、分化、迁移, 血管生成等生物学过程,对于介导细胞信号转导, 调节组织稳态等功能具有关键作用. 特别地,CD44-选择素、CD44 -透明质酸相互作用介导的细胞粘附动力学在经典炎症反应、肿瘤转移或组织特异的肝脏免疫中具有重要作用.该综述分别从细胞层次粘附动力学、二维与三维条件下的分子层次反应动力学、原子层次微观结构以及胞内信号转导通路等方面综述了CD44 -选择素、CD44 -透明质酸相互作用的研究进展及尚待回答的生物力学问题.力学、物理因素对生命活动的不可或缺性逐渐被研究者们接受,力学医学、力学免疫学、力学组学等新概念相继提出. 生理、病理条件下,CD44 -配体相互作用介导的细胞粘附必将受到血流剪切、基底硬度等力学、物理微环境的调控,但是其调控机制还远不清楚. 基于此,本文就CD44 -配体相互作用相关的未来研究方向做出展望, 主要包括:力学、物理因素如何调控CD44 -配体相互作用介导的细胞粘附动力学及其内在机制;CD44 -配体相互作用反应动力学的力学调控规律及结构基础是什么;以及力学作用下CD44 -配体相互作用原子层次的微观结构如何发生动态演化.本文可为深入理解CD44 -配体相互作用的生物学功能及其结构功能关系提供线索.      

掺氮类金刚石薄膜的纳米力学及纳米摩擦特性研究

利用微波电子回旋共振化学气相沉积技术制备了不同氮掺杂量的类金刚石(DLC)薄膜,采用俄歇电子能谱仪、Raman光谱仪和Hysitron型纳米力学测试系统对掺氮类金刚石薄膜的化学成分和结构、纳米力学及其纳米摩擦特性进行研究.结果表明:反应气体中氮气流量比例越大,类金刚石薄膜中的氮含量越高;随着薄膜中氮含量增加,掺氮类金刚石薄膜中sp3比例下降,sp2比例明显增加,而薄膜的纳米力学性能如纳米硬度和弹性模量明显下降;纳米划擦试验中的划痕深度与薄膜中氮含量有关,当载荷相同时,氮含量越高,所对应的划痕深度越深;名义摩擦系数(LF/NF)随着载荷增加而增大;当载荷相同时,摩擦系数与沉积膜中的氮含量无关.     

聚合物纳米复合材料蠕变性能研究进展

聚合物在室温甚至低温条件下的蠕变被认为是制约其更广泛应用的主要瓶颈之一.实验研究发现添加很低含量(1{\%}重量或体积含量)的纳米颗粒,在基本上不影响基体其他力学和物理性能的前提下,能够大幅度提高聚合物的耐蠕变性能; 另外和静态性能相比较,蠕变和松弛等特性对于聚合物微观结构的变化和分子链的相互作用更加敏感,能够在新型纳米复合材料(如多层级纳米复合材料)的力学设计中为我们提供更加丰富的微观结构及其相互作用的信息.本文综述了多种形貌纳米颗粒(包括金属氧化物、碳纳米管、层状纳米黏土等)对聚合物耐蠕变性能影响的研究现状和进展.讨论了纳米颗粒的种类、形貌和含量,以及外部应力水平和温度等因素对聚合物基体材料蠕变性能的影响规律;分析了目前一些常用的模拟和预测蠕变行为的模型, 并利用这些模型,结合纳米复合材料特点, 对蠕变实验结果进行了模拟和预测;结合多层级纳米复合材料的实验研究结果,阐述了蠕变条件下纳米复合材料分子链间相互作用的特点;进而探讨了纳米颗粒影响聚合物蠕变性能的机理,展望了该领域研究的发展态势.      

热处理对GeSb2Te4薄膜微观结构及其摩擦性能的影响

利用射频溅射法制备了GeSb2Te4薄膜并对其进行热处理,分析热处理前后样品的结晶情况,用纳米硬度计测定硬度,利用静电力显微镜表征样品的表面电势,采用原子力显微镜观察薄膜表面形貌,利用侧向力显微镜对比考察了在考虑相对湿度的情况下,热处理前后GeSb2Te4薄膜的粘附力和摩擦性能.结果表明:经过退火的沉积态GeSb2Te4薄膜发生从非晶相到fcc亚稳相再到hex稳定相转变;粘附力与表面粗糙度之间没有明显的对应关系,但与样品表面自由能和表面电势有一定关系;在低载荷下GeSb2Te4薄膜的摩擦力很大程度上受粘附力支配,而在高载荷下的摩擦力受犁沟影响显著;经过340 ℃退火GeSb2Te4薄膜由于具有层状结构,呈现出一定的润滑作用.     

基于Lenosky原子作用势单层石墨烯片的力学模型

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.      

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

曲面薄膜结构褶皱失稳力学

薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.      

A MECHANICS MODEL OF A MONOLAYER GRAPHENE BASED ON THE LENOSKY INTERATOMIC POTENTIAL ENERGY

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.     

纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力

为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力．建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层1 μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371 MPa．该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性．     

表面黏附及表面输运的最新研究进展

表面黏附及表面输运作为典型的材料表面行为,已成为表面力学关注的重要课题及学科前沿,揭示该类表面效应的形成机制及其影响因素,对微纳米器件、微纳米传感器、微纳米传输、智能材料表面等创新设计具有重要的指导意义。本文针对表面黏附及表面输运两种典型的表面力学行为,综述了国内外在该方面的最新研究进展,主要介绍了作者课题组在该方面的最新工作及取得的成果,最后针对该方面研究提出未来工作展望。