基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料,孔洞突出的表面效应,使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能.相对于理论和分子动力学仿真,有限元方法更适用于复杂结构模型,但受限于理论难度,以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构,因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能.为此,基于Gurtin-Murdoch表面理论,成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元,并考虑微观结构非均匀性,发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型,将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析,验证了所构建有限元模型的有效性.通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟,揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律.结果表明:所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布,相对于表面拉梅常数,纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向.所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.     

新型纳米结构金属材料的力学性能及变形机制

“纳米结构” 化是金属及其合金材料获得优异力学性能的有效途径.纳米结构金属材料表面或内部的缺陷, 包括晶界、位错、孪晶、孔洞、裂纹、第二相等, 其形核、演化及互相作用对材料的强度和韧性具有重要影响. 该文综述了与上述科学问题相关的新型纳米结构金属材料的微观组织结构表征及力学性能测试、强韧化机制计算模拟方面的研究进展. 并讨论了急需从微观尺度上就新型纳米结构金属材料的特征力学行为和关键变形机制开展深入、系统研究.      

原子尺度断裂模拟进展

材料/结构的断裂是一个多尺度过程,绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂,因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响.随着实验技术的飞速进步,高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹,而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具.在本综述文章中,首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法,包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载,并综合对比了上述加载方法的适用范围,然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法,包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法.随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构,非晶结构,异质界面结构)断裂行为模拟研究,例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片.这些研究结果揭示了实验现象背后的机理,同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性.最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战,并对将来...     

中空纳米微球填充复合材料的有效力学性能

中空纳米微球可作为复合材料填充体使用. 与相同粒径下的实心纳米颗粒相比,中空纳米微球密度更低,存在表/界面应力效应的面积更大,由此导致的不同力学行为值得人们关注和研究. 目的是研究表/界面应力对中空纳米微球填充复合材料力学行为的影响. 首先,基于广义自洽原理,利用考虑表/界面应力影响的四相球模型导出了中空纳米微球填充复合材料在单向载荷作用下的弹性场,获得了纳米复合材料有效弹性模量的闭合形式解. 然后,分析了纳米复合材料存在的尺度相关性. 算例结果表明,有效弹性常数和环向应力与经典解答不同, 取决于表/界面性能、纳米中空微球粒径和壁厚. 该结论对于中空纳米微球复合材料具有指导意义.      

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性，是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是，钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为，比如，屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性，断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应，等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化，形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化，揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应，从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果；最后，对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

典型纳尺度结构的热振动

热振动是一定温度下纳尺度结构的固有运动,对其动力学行为有着重要的影响.当空间进入纳米尺度,结构呈现离散性,量子效应、边界效应、范德华力等变得不可忽略,纳尺度结构在热噪声随机激励下的动力学行为表现出众多异乎寻常的特性.以碳纳米管和石墨烯为代表的纳尺度碳材料具有优良的力学、电学和化学性质.在此介绍多种针对纳尺度结构热振动问题的研究方法、及碳纳米管和石墨烯的低温热振动、碳纳米管的非线性热振动研究进展.     

石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体,是目前已知最薄但却有着极高强度的纳米材料。由于在强度、导热性、电子输运和光学上显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点。与此同时,石墨烯复合材料的研究也迅速兴起。本文综述了近年来石墨烯及其复合材料的力学特性的研究进展。根据力学行为的差异,我们主要阐述了石墨烯面内力学特性、离面力学特性、原子尺度修饰和石墨烯复合材料力学特性的研究进展：石墨烯的面内拉伸力学特性通过纳米压痕等技术得到了测量,其断裂行为在微纳尺度下不能完全使用连续介质力学模型进行解释,在多层石墨烯情况下会出现超润滑现象;石墨烯的可控离面位移对于改变其物理特性有重要的意义,石墨烯上的屈曲受到手性和尺度的影响,在高频器件中存在着非连续性的离面响应;适当的原子尺度修饰可以改善石墨烯的拉伸和扭转力学特性;石墨烯可以改善复合材料的力学特性,如提高强度、韧性等,其主要强化效应是通过与基体材料的离面、面内力学行为结合产生的。最后,本文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望。     

纳米力学进展(续)

概述2002年度在纳米力学方面的若干新进展.在纳观计算力学方面,讨论了在微结构质流演化算法、纳米结构中应变的量子效应算法、LMPM并行算法等方面的进展.在纳观实验力学范畴,着重介绍了立体刻蚀的微加载系统.然后,我们展述了在纳米晶体力学、纳米管力学和纳米压痕力学等方面的新进展.      

纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴 进行界定，然后介绍纳米力学方法，包括属于纳观计算力学范畴的大规 模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法 和LMPM方法；及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即 阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂 力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

MD simulation for nanocrystals

Molecular dynamic (MD) provided anab initio simulation for nano-scale mechanical behavior of materials, provided that the inter-atomic potential is accurately prescribed. MD is particularly suitable in simulating the formation, the deformation, and the evolution of nanocrystals under a fast strain rate. To tackle large scale system and nano-seconds time duration, parallel algorithm is desired. The present paper reviews the recent advances in MD simulation for nanocrystals rithm is desired. The present paper reviews the recent advances in MD simulation for nanocrstals with attention focused on the applications toward nanomechanics. The examined issues are: formation of nanocrystalline metals, nanoindentation on nancorystals, fast deformation of nanocrystals, orderdisorder transition, and nano-particle impact. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (101212202 and 90205023)     

Nanomaterials: on the Mechanics of Nanomaterials

The paper presents a brief historical sketch of nanotechnology and scientific analysis of nanoparticles, nanoformations, and nanomaterials. Certain aspects of the state of the art and promising trends in the nanomechanics of materials and relationships among macromechanics, mesomechanics, micromechanics, and nanomechanics are analyzed     

Biological membranes from the perspective of smart materials – A theoretical study

The unique properties and diverse functionality of biological membranes make them excellent candidates for nano-scale applications, such as sensors and actuators. Taking the view of biological membranes as smart bio-materials, we study the behavior of a simply supported beam made from a biological membrane-like material. Equilibrium configurations are derived by calculating the first variation of a generalized Helfrich energy, and their stability is examined by means of the second variation. Our numerical results demonstrate the richness of phenomena exhibited by these structures, in accordance with experimental observation of multi-component vesicles. Further, we demonstrate that the intriguing behavior of biological membrane beams, which is fundamentally different from standard beams and from standard Cahn Hilliard systems, can be utilized for actuation and sensing. For example, temperature and also pressure difference across the membrane can be indirectly measured by gauging the fluorescence intensity of the membrane components.     

NANO SCIENCE AND ENGINEERING IN SOLID MECHANICS

According to National Science Foundation （NSF） Director A. Bement, ‘Transformative research is... research driven by ideas that stand a reasonable chance of radically changing our understanding of an important existing scientific concept or leading to the creation of a new paradigm or field of science is also characterized by its challenge to current understanding or its pathway to new frontiers.＇ Nanotechnology is one of such frontiers. It is the creation of new materials, devices and systems at the molecular level--phenomena associated with atomic and molecular interactions strongly influence macroscopic material properties with significantly improved mechanical, optical, chemical, electrical... properties. Former NSF Director Rita Colwell in 2002 declared, ‘nanoscale technology will have an impact equal to the Industrial Revolution＇. The transcendent technologies include nanotechnology, microelectronics, information technology and biotechnology as well as the enabling and supporting mechanical and civil infrastructure systems and materials. These technologies are the primary drivers of the twenty first century and the new economy. Mechanics is an essential eleraent in all of the transcendent technologies. Research opportunities, education and challenges in mechanics, including experimental, numerical and analytical methods in nanomechanics, carbon nano-tubes, bio-inspired materials, fuel cells, as well as improved engineering and design of materials are presented and discussed in this paper.     

Size-dependent response of ultra-thin films with surface effects

A modified continuum model of elastic films with nano-scale thickness is proposed by incorporating surface elasticity into the conventional nonlinear Von Karman plate theory. By using Hamilton’s principle, the governing equations and boundary conditions of the ultra-thin film including surface effects are derived within the Kirchhoff’s assumption, where the effects of non-zero normal stress and large deflection are taken into account simultaneously. The present model is then applied to studying the bending, buckling and free vibration of simply supported micro/nano-scale thin films in-plane strains and explicit exact solutions can be obtained for these three cases. The size-dependent mechanical behavior of the thin film due to surface effects is well elucidated in the obtained solutions.     

原子尺度摩擦研究进展

原子尺度摩擦问题是纳米摩擦学研究的重要组成部分, 也是近年来备受关注的热点问题之一. 原子尺度摩擦规律与宏观摩擦显著不同, 涉及更为复杂的力学机理, 受多种因素影响, 呈现出许多特有的现象和特点. 本文结合近年来无磨损原子尺度干摩擦领域的研究进展, 简要介绍了现阶段原子尺度摩擦的主要研究手段和方法, 概括了载荷、温度、相对速度以及表面特征等因素对摩擦规律的影响, 归纳了原子尺度摩擦中特有的一些力学现象, 并对未来该领域需要特别关注的问题做了初步展望.     

Growth of hexagonal quantum dots under preferential evaporation

We perform numerical simulations of hexagonal quantum dots of AlGaN semiconductors. We show that the competition between surface mass diffusion and evaporation rules the morphology of the quantum dots. The system displays three different behaviors: presence of separated islands without a wetting layer, islands dissolving into the wetting layer, or islands that do not evolve. The first behavior is of special interest because its optoelectrical properties are significantly improved in comparison with quantum dots with a wetting layer.