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相似文献
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1.
孙晋美  郭万林 《力学进展》2006,36(4):536-552
围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物 力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描 探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这 个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物 物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子(包括 遗传物质和蛋白质)力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多 场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的 物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本 领域的一个重要发展方向.  相似文献   

2.
移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力-电-热-化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.  相似文献   

3.
移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力–电–热–化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.  相似文献   

4.
化学-力学耦合理论与数值方法   总被引:4,自引:0,他引:4  
该文研究了化学场中的质量扩散与力学耦合问题,构造了化-力耦合情况下的力学本构关系与质量扩散的本构关系,并由这些本构关系和化学场、力学场的控制方程,得到化-力场耦合的有限元方程.通过数值算例,详细分析了由应力场引起的质量重分布和由化学场引起的结构变形.研究表明,力学与化学之间存在明显的相互作用,并采用有限元数值方法进行了分析.  相似文献   

5.
在羟基化Si(111)表面制备十八烷基三氯硅烷(OTS)自组装单分子膜,利用AFM机械刻蚀技术,通过自编程序设计针尖走向,以金刚石针尖作为加工工具,在OTS自组装单分子膜的Si(111)表面刻蚀不同结构的纳米图案,通过预设针尖移动距离和扫描头Z向位移等参数控制纳米结构的大小和深度.结果表明:利用原子力显微镜(AFM)机械刻蚀技术在OTS自组装单分子膜的Si(111)表面加工出大小、深度可控的纳米图案,其中载荷与加工深度基本呈线性关系;所获得的纳米图案结构清晰,刻蚀试验的重复性较好;经过刻蚀后的图案化区域为裸露的SiO2/Si表面,与OTS覆盖区域相比其摩擦力和粘附力较大,其表面性质具有明显的可分辨性.  相似文献   

6.
移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域。移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征。由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题。标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段。本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了“力–电–热–化学”多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展。通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象。从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的“Huh-Scriven佯谬”探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望。  相似文献   

7.
边界润滑条件下丁腈橡胶—金属磨损机理的研究   总被引:8,自引:2,他引:6  
对矿物油润滑下丁腈橡胶-金属的磨损机理进行了研究。用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪分析了橡胶及金属磨损表面形貌及其元素化学状态的变化,用傅里叶变换红外光谱仪分析了橡胶表面官能团的变化。结果表明:丁腈橡胶在应力集中处发生分子链断裂,形成高活性大分子自由基,大分子自由基与活化的金属发生力化学反应,生成金属-聚合物膜;同时,矿物油在金属表面还产生物理吸附和化学吸附膜。其与金属-聚合物膜在剪切力或磨屑  相似文献   

8.
影响分子沉积膜纳米摩擦特性的几个因素   总被引:7,自引:2,他引:5  
利用原子力显微镜探讨了表面电荷及分子端基对分子沉积膜纳米摩擦特性的影响,并考察了表面形貌在不同扫描方向和法向高度上对摩擦力的影响.结果表明:对Si3N4针尖而言,表面净电荷对摩擦特性有一定的影响,不同类型的表面电荷对摩擦力和摩擦系数的影响不同,正电荷影响相对较大;在较小载荷和粘附力的条件下,针尖在表面上滑动时所受的摩擦作用同分子端基有关;单层CuTsPc分子沉积膜表面形貌的取向对摩擦力影响不大,分子沉积膜的表面高度同摩擦力,即时测量值并不存在对应关系,摩擦力受表面形貌的影响较小.  相似文献   

9.
清水介质条件下天然橡胶磨损45#钢的机理研究   总被引:8,自引:4,他引:4  
为了提高流体机械和石油机械中橡胶-金属摩擦副的使用寿命,针对目前人们大都只着眼于改善橡胶耐磨性的现状,对清水介质条件下天然橡胶磨损45#钢的机理进行了研究.用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪,对天然橡胶和45#钢表面磨损前后的微观形貌、元素的组成和结合能进行了分析,用傅立叶表面红外分析仪分析了天然橡胶磨损前后表面官能团的变化.结果表明:在给定的试验条件下,天然橡胶磨损45#钢的物理过程主要是滞留在摩擦表面的铁屑和添加剂颗粒对钢的微切削作用;摩擦界面发生的力化学反应主要有橡胶表面的分子链力裂解和氧化降解,橡胶大分子自由基与Fe反应生成Fe-高分子化合物,橡胶大分子链中的羧基与Fe的反应,以及Fe的氧化反应.橡胶磨损45#钢的过程是Fe与橡胶及介质之间发生力化学反应在45#钢表面形成化学反应膜,反应膜在微切削作用下脱落造成钢的磨损.这种磨损机理主要属于摩擦界面材料的化学-力学自催化破坏机理  相似文献   

10.
林銮  杨庆生 《力学季刊》2008,29(1):8-14
许多智能复合材料例如生物组织和聚合物胶体,都表现出多场耦合行为.目前化学-力学耦合理论属于一个比较新的领域,还不成熟.本文主要研究化学一力学耦合行为,并在ABAQUS软件中进行了数值模拟计算.应用力学平衡方程、离子扩散方程和包含力学-化学耦合因素的的本构关系椎导出了力学-化学耦合的等效积分形式,建立力学-化学耦合的有限元方程.在ABAQUS软件中开发用户单元子程序,进行数值模拟.计算结果表明:力学与化学存在着相互耦合作用,浓度变化能引起固体的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布:由于耦合作用,固体的有效性能与扩散性质都发生了改变:力学-化学耦合作用过程实际是机械能与化学能之间能量转换过程;最终,研究体中械能与化学能达到相互平衡状态,且质量守恒.本文的理论和方法可应用于模拟生物组织、粘土等材料的力学-化学耦合行为.  相似文献   

11.
In this study, a hyperelastic multiscale modeling technique is used to predict elastic properties of polycarbonate and polyimide polymer systems using a set of widely accepted atomistic force fields. The model incorporates molecular simulations and a nonlinear, continuum mechanics-based, constitutive formulation that incorporates the behavior of the polymer materials as predicted from molecular simulations. The predicted properties of the polymers using multiple force fields are compared to experimentally measured values. Both static and dynamic molecular simulations are performed using molecular mechanics energy minimizations and molecular dynamics simulation techniques, respectively. The results of this study indicate that static molecular simulation is a useful tool to predict the bulk-level nonlinear mechanical behavior of polymers for finite deformations. It is found that the AMBER force field yields the most accurate predicted mechanical and physical properties of the modeled polymer systems compared to the other force fields used in this study.  相似文献   

12.
关于极端力学   总被引:8,自引:7,他引:1  
郑晓静 《力学学报》2019,51(4):1266-1272
随着前沿科学和新技术不断发展,工程材料与结构的超常规尺度、密度、硬度、刚度等性能以及在超常规温度、速度、场强和恶劣天气等极端服役环境中的力学响应规律,需要力学提供更为有效的理论和方法. 本报告从极端力学的基本定义和科学内涵出发,结合重大工程问题和大科学问题,从极端性能、极端载荷、学科发展等三个方面系统介绍了极端力学的研究现状,并总结了极端力学的特点及其对力学理论、计算方法和实验技术的挑战,最后对极端力学未来的发展进行了展望.   相似文献   

13.
碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料具有优异的力学和电学性质,已经引起广泛的科学兴趣.然而由电荷、分子轨道、电子结构和自旋态构成的低维材料的局域场与力学变形、机械运动和物理化学环境等外场间往往存在强烈耦合,这导致低维材料会呈现出新颖独特的物理力学性能.论文对近年来碳纳米管、石墨烯和六方氮化硼等低维材料的力学性能、力电耦合与器件原理、表面和界面结构性能调控、层间相互作用、能量耗散和摩擦等物理力学方面的研究进展进行了简要综述,并讨论了利用低维材料多场耦合特性和结构性能关联发展新型功能器件的方法和途径,以及纳米力学和纳尺度物理力学的前沿和发展趋势.  相似文献   

14.
纳尺度下类金刚石(DLC)薄膜摩擦性能研究   总被引:3,自引:2,他引:1  
张艳  东梅  李媚  段早琦 《摩擦学学报》2015,35(2):242-248
类金刚石薄膜(DLC)作为保护涂层在磁存储系统和微/纳米机电系统(M/NEMS)等方面的应用十分广泛,但其在实际应用中存在着摩擦副的设计问题,本文中采用物理气相沉积(PVD)技术以金属Cr作为过渡层在硅基底上制备类金刚石薄膜,利用原子力显微镜,对类金刚石薄膜的表面特性进行表征,并研究针尖的力学性能对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响.结果表明纳尺度下硅针尖和氮化硅针尖测得的摩擦力与法向载荷之间均呈线性关系,这说明针尖材料对类金刚石薄膜的摩擦性能没有影响.Si针尖的SEM图像表明:高载荷下,Si/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于Si针尖的磨损;而类金刚石薄膜的AFM图像表明:Si3N4/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于类金刚石薄膜表面的粗糙峰在高载条件下发生了塑性变形,DMT理论计算验证了我们的实验结果.因此,本研究对于类金刚石薄膜在实际应用中摩擦副的设计具有指导意义.  相似文献   

15.
微电子机械系统中的若干固体力学问题   总被引:7,自引:0,他引:7  
简述了微电子机械系统若干固体力学问题研究的现状,包括:微构件材料的基本力学性能;微构件的力学分析与计算;微系统的失效分析研究;微系统的驱动等,并阐述了微系统力学问题中涉及的表面效应和尺度效应,提出了微系统多类型力作用,多种因素交叉,多学科耦合,非线性突出的特点和研究方向。  相似文献   

16.
This review article summarizes the advances in the surface stress effect in mechanics of nanostructured elements,including nanoparticles,nanowires,nanobeams,and nanofilms,and heterogeneous materials containing nanoscale inhomogeneities.It begins with the fundamental formulations of surface mechanics of solids,including the definition of surface stress as a surface excess quantity,the surface constitutive relations,and the surface equilibrium equations.Then,it depicts some theoretical and experimental studies of the mechanical properties of nanostructured elements,as well as the static and dynamic behaviour of cantilever sensors caused by the surface stress which is influenced by adsorption.Afterwards,the article gives a summary of the analytical elasto-static and dynamic solutions of a single as well as multiple inhomogeneities embedded in a matrix with the interface stress prevailing.The effect of surface elasticity on the diffraction of elastic waves is elucidated.Due to the difficulties in the analytical solution of inhomogeneities of complex shapes and configurations,finite element approaches have been developed for heterogeneous materials with the surface stress.Surface stress and surface energy are inherently related to crack propagation and the stress field in the vicinity of crack tips.The solutions of crack problems taking into account surface stress effects are also included.Predicting the effective elastic and plastic responses of heterogeneous materials while taking into account surface and interface stresses has received much attention.The advances in this topic are inevitably delineated.Mechanics of rough surfaces appears to deserve special attention due to its theoretical and practical implications.Some most recent work is reviewed.Finally,some challenges are pointed out.They include the characterization of surfaces and interfaces of real nanomaterials,experimental measurements and verification of mechanical parameters of complex surfaces,and the effects of the physical and chemical processes on the surface properties,etc.  相似文献   

17.
《力学快报》2020,10(1):1-7
With the development of cutting-edge sciences and new technologies, we have to consider the size, the density, the hardness, the stiffness and other properties of engineering materials and structures beyond the conventional ranges, as well as their mechanical behavior in extreme environments, such as ultra-conventional temperature, speed, physical and chemical fields, and severe weather, and more effective theories and methods of mechanics are required. This paper first gives the fundamental definition and the scientific connotation of extreme mechanics, then reviews the studies of extreme mechanics from three aspects: the extreme properties, the extreme loads, and the discipline development, as well as major engineering and scientific challenges. The characteristics of extreme mechanics and major challenges in the aspects of mechanical theory,computational methods and experimental techniques are discussed. Prospectivei developments of extreme mechanics are suggested.  相似文献   

18.
人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.   相似文献   

19.
The influences of applied electric fields and surface charges on elastic modulus of nanostructures such as nanowires and nanofilms are investigated within the framework of classic continuum mechanics. Under an applied electric field, the surfaces of structures are subjected to the electrostatic forces (negative pressure) along the direction of the electric field, and the resulting surface charges also change the surface mechanical properties due to the Hellman–Feynman (H–F) forces. Through incorporating the surface energy from the negative pressure and the H–F forces into surface free energy, the exact and analytical expressions of the effective elastic modulus of nanowires and nanofilms are addressed by considering the surface energy effects on the elastic modulus of nanostructures, which involves the contribution of the applied electric field and surface charges. The numerical results indicate that applied electric fields parallel to the axis of the nanowire and nanofilms enhance the transverse Young's modulus while reducing axial modulus of nanostructures. The effective modulus of nanowires and nanofilms with lateral surface charges depends on the surface charges density and the sign of the charges. In addition, the effect of electric field and surface charges on Young's moduli of nanowires and nanofilms has been found to be sensitive to structural geometric dimensions such as the thickness of the film and the diameter of the wire.  相似文献   

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