小特征尺寸材料结构的演化

现代的电子和光子器件都是小特征尺寸的固体结构.在制造和使 用中，扩散过程能够重置物质，因此结构随时间演化.薄膜可能破裂成 小滴(droplets)，导线上可能长出孔穴.人们早就知道应力和电流是驱 动这些变化的力.这些力尽管重要，但越来越多的事实表明，它们不足 以说明各种不同的试验现象，这说明其它物理来源的力也起作用.在结 构中，原子、电子和光子的集体作用都对结构的自由能作出贡献.结构 一旦改变其构形，其自由能也发生变化.自由能的改变定义了一种热力 学的力，它反过来驱动结构的构形变化.本文通过一些特别的现象来阐 明这些概念.重点放在不同来源的力的物理描述上，这些来源包括弹性、 静电、毛细作用、电流、成分梯度、光子散射和电子约束.其中一些力 的作用在小特征尺寸例如几nm到几百nm的结构中尤为重要.随着仪器的 小型化，对这些力的认识变得日益重要.这一领域的研究极有希望带来 固体力学的革新.     

范德华力对多壁纳米碳管力学性质的影响

用分子动力学方法模拟了多壁纳米碳管在压缩、弯曲变形下力与变形的关系．通过与组成多壁碳管的各单壁碳管的比较分析,揭示了多壁纳米碳管层间范德华力对碳管力学性质的影响．采用Tersoff-Brenner势描述每一单壁纳米碳管内原子间作用,采用Lennard-Jones势描述碳管壁间范德华力．计算结果表明：多壁纳米碳管的比强度明显高于单壁纳米碳管．纳米碳管的半径虽然对杨氏模量影响不大,但对纳米碳管的曲屈行为影响却相当显著。     

铜箔上生长的六角氮化硼薄膜的扫描隧道显微镜研究

利用扫描隧道显微镜研究了采用化学气相沉积法在铜箔表面生长出的高质量的六角氮化硼薄膜. 大范围的扫描隧道显微镜图像显示出该薄膜具有原子级平整的表面, 而扫描隧道谱则显示, 扫描隧道显微镜图像反映出的是该薄膜样品的隧穿势垒空间分布. 极低偏压的扫描隧道显微镜图像呈现了氮化硼薄膜表面的六角蜂窝周期性原子排列, 而高偏压的扫描隧道显微镜图像则呈现出无序和有序排列区域共存的电子调制图案. 该调制图案并非源于氮化硼薄膜和铜箔衬底的面内晶格失配, 而极有可能来源于两者界面处的氢、硼和/或氮原子在铜箔表面的吸附所导致的隧穿势垒的局域空间分布.     

轴向磁场对碳纳米管电子性质的影响

用紧束缚法研究了单壁碳纳米管在轴向磁场下费米能级附近电子性质的变化规律.研究发现：能隙随轴向磁场变化的快慢及磁致能隙峰值都与碳纳米管直径有着紧密联系；对于相同直径的碳纳米管，金属性管的磁致能隙峰值最大.具体计算了锯齿型碳纳米管费米能级附近电子态密度随轴向磁场的变化关系,发现所有碳纳米管的电子态密度和能隙变化都体现出周期性.磁场使得碳纳米管发生绝缘体-金属周期性相转变的根本原因是由于在磁场的作用下范霍夫奇异点出现分裂-移动-融合的周期性变化. 关键词： 磁场 碳纳米管 紧束缚法 范霍夫奇异点     

拉伸螺杆半椭圆表面裂纹应力强度因子

将拉伸螺杆简化为理论应力集中系数Kt不同的带“V”形缺口圆杆,采用裂纹尖端为20节点奇异单元的三维有限元模型,对螺杆半椭圆表面裂纹的应力强度因子进行了计算.给出了具有普遍性意义的螺杆表面裂纹应力强度因子公式.为验证本文计算结果的有效性,还将本文M22×1.5螺杆的应力强度因子计算结果与试验结果进行了对比.     

有限厚双边U型切口板的三维弹塑性有限元分析

针对单向拉伸载荷作用下的有限厚双边 U型切口板 ,本文对其切口根部的三维效应进行了详细的三维弹塑性大变形有限元分析 ,得到了不同于平面切口问题的新结果 :( 1 )在线弹性阶段 ,三维切口根部的应力集中因子 Kt高于二维情形 ,且 Kt在板厚 ( B)约为 8倍切口根部半径 (ρ)时达到峰值 ;进入塑性后 ,切口根部的 Kt随载荷水平的增加逐渐下降 ,并介于平面应力和平面应变情形之间 ;( 2 )切口前缘等效应变εe的最大值出现在约束最高的中面 ,且可比约束最低的自由表面处的应变值高一倍 ;( 3)薄板中 ,塑性区尺寸 xp 的最大值不是出现在约束较低的自由表面 ,而是出现在约束较高的中面 ,但随 B/ρ的增大逐渐向自由表面外推 ;( 4 )面内应力比 Tx在切口根部塑性区内的分布对板厚和载荷水平不敏感 ,可以用 Hill的滑移线解很好地近似。另外 ,对三维影响区内一些重要的三维约束参量进行了详细分析 ,总结了它们的三维分布规律。     

构件三维断裂与疲劳力学及其在航空工程中的应用

本文总结评述了断裂力学由二维理论到三维理论的发展历程。介绍了三维裂纹端部场的K-Tz和J-Tz双参数描述、K-T-Tz和J-QT-Tz三参数描述,以及三维弹塑性断裂准则和三维疲劳裂纹闭合模型等。通过具体的实例介绍了三维断裂理论在航空结构损伤容限分析中的应用。正确考虑离面约束和面内约束对裂纹端部场以及材料断裂和疲劳裂纹扩展性能的影响,能够发展航空结构损伤容限可预测设计能力。     

管内流体对单壁碳纳米管中弯曲波频散的影响

由于其管状结构,碳纳米管在纳机械系统中可望被用作输流管道.采用连续介质力学方法,研究管内有流体存在时碳纳米管中弯曲波的传播和频散.建立流体存在时考虑二阶应变梯度的非局部弹性Timoshenko梁方程.流体的存在,使相速度最低的解支相速度降低.当流速较低时,流速对碳纳米管中弯曲波传播的影响不大.当流速较高时,相速度最低的一支随流速增加相速度降低.当流速非常高时,该解支会消失.但流体的存在对其他解支影响不大.随着波数的升高,非局部弹性所描述的微结构对碳纳米管中弯曲波传播的影响越来越明显.     

第十八届美国理论与应用力学大会总结

正1会议概况2018年6月5—9日,第18届美国理论与应用力学大会(18th U.S. National Congress of Theoretical and Applied Mechanics, USNCTAM2018)在美国芝加哥召开.本次大会由美国力学国家委员会和中国力学学会联合主办,旨在探讨和交流近四年世界范围内在理论和应用力学领域的基础研究、创新技术的最新进展,吸引了来自世界各地的近千名专家学者     

Tuning the energy gap of bilayer α-graphyne by applying strain and electric field

Our density functional theory calculations show that the energy gap of bilayer α-graphyne can be modulated by a vertically applied electric field and interlayer strain. Like bilayer graphene, the bilayer α-graphyne has electronic properties that are hardly changed under purely mechanical strain, while an external electric field can open the gap up to 120 meV. It is of special interest that compressive strain can further enlarge the field induced gap up to 160 meV, while tensile strain reduces the gap. We attribute the gap variation to the novel interlayer charge redistribution between bilayer α-graphynes.These findings shed light on the modulation of Dirac cone structures and potential applications of graphyne in mechanicalelectric devices.