探索微纳米世界的手——原子力显微镜1)

显微镜的发展让人类看到了真实的微纳米世界,原子力显微镜的出现则让我们进一步直接接触并感知其中的力学相互作用。借助这只微纳尺度的手,原子力显微镜技术越来越多地帮助我们探索和理解微纳米世界,甚至是生命世界。本文介绍了显微镜的发展,原子力显微镜的力学测量原理,以及在活细胞力学研究中的应用。     

考虑电场梯度的挠曲电纳米板弯曲性能分析

具有尺度依赖的挠曲电效应在器件的设计中扮演着越来越关键的角色, 研究人员在微纳米尺度多物理场分析中进行了大量工作. 基于考虑挠曲电和电场梯度效应的弹性介电材料非经典理论, 以二维纳米板为例, 通过理论建模, 分析纳米板在弯曲问题中的力?电耦合行为. 根据Mindlin假设给出板的位移场和电势场的一阶截断, 选取板的材料为立方晶体(m3m点群), 将广义三维本构方程代入到高阶应力、高阶偶应力、高阶电位移和高阶电四极矩的表达式中得到相应的二维本构方程, 利用弹性电介质变分原理得到板的控制方程和边界上的线积分等式, 分别将二维本构方程和边界上外法线的方向余弦代入, 得到板的高阶弯曲方程、高阶电势方程以及对应的四边简支边界条件. 利用四边简支矩形板的高阶弯曲方程、高阶电势方程和相应的边界条件, 根据Navier解理论, 求解纳米板的电势场, 重点分析电场梯度对板内一阶电势的影响. 数值计算结果表明: 电场梯度对纳米板中由挠曲电效应产生的一阶电势有削弱作用, 且材料参数g₁₁越大, 一阶电势受到的削弱越大; 同时电场梯度的存在消除了纳米板在受横向集中载荷作用时一阶电势的奇异性. 本文是对具有挠曲电效应和电场梯度效应的纳米板结构分析理论的一个扩展, 为微纳米尺度器件的结构设计提供参考.      

输液管振动与稳定性研究的新进展:从宏观尺度到微纳米尺度

本文围绕不同尺度级的输液管结构,针对液流引起的管道振动与稳定性综述了目前已有的几种物理和数学模型,详细介绍了梁模型输液管的各类振动控制方程,重点讨论了宏观尺度、微米尺度和纳米尺度下输液管振动方程的异同点.在此基础之上,进一步概述了近几年这些输液管振动与稳定性问题研究的现状和一些重要研究结果,其中也包括作者们近期的相关工作.最后对未来的研究趋势作了分析和预测.通过本文可以看到,输液管振动问题仍有不少难题尚未很好解决,特别是微纳米输液管的建模和流固耦振机理方面的研究亟需加强.     

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.      

微纳米摩擦的弹性棘轮模型与形貌的尺度效应

建立了弹性棘轮模型并用于研究微观形貌参数对摩擦性能的影响,通过研磨和抛光的方法在硅材料表面进行形貌修饰,并采用原子力显微镜和自制微摩擦测试仪分别在纳米和微米尺度下进行摩擦力测量试验.结果表明：硅表面经过形貌修饰后,摩擦力不仅与粗糙峰的斜率有关,而且与接触副的等效曲率半径相关;在纳米尺度下,粗糙峰斜率对摩擦力的影响较大;在微米尺度下,等效曲率半径对摩擦力的影响较大;棘轮模型只适用于斜率影响为主导因素的情况,而弹性棘轮模型由于综合考虑了形貌斜率和等效曲率半径的影响,能够更好地描述不同尺度接触副的摩擦规律.     

综述：微纳米尺度材料与结构的原位疲劳实验及性能研究进展

随着集成电路芯片、传感器、柔性电路系统、微/纳机电系统等微机械装置向集成化和小型化不断发展,如何预测其内部微纳米尺度结构和材料的机械性能及其可靠性成为了制约上述微机械装置进一步发展和应用的关键问题之一。在这些装置的长期使役过程中,微纳米尺度材料的疲劳性能又成为了近年来人们关注的热点问题。针对上述问题,首先,调研了与微纳米尺度材料原位疲劳实验方法和疲劳性能研究有关的文献。然后,总结了微纳米尺度原位疲劳实验方法和疲劳性能的研究现状,包括含有孪晶组织金属、梯度组织或粗细晶金属以及在单轴、多轴应力状态下的金属疲劳性能研究,并归纳了微纳米尺度界面疲劳损伤行为的研究现状。最后,对微纳米尺度材料的疲劳性能研究进行了展望,提出了对未来发展方向的思考。     

基于微纳米压入法提取无铅焊料合金弹塑性力学参数的研究

本文通过微纳米压入法结合数值模拟研究了无铅焊料合金SnAg3.5 的弹塑性力学性能，分别采用圆柱形压头及两种不同锥角压头对无铅焊料合金进行压入测试：基于圆柱形压头测试过程中接触面积恒定的特点得到了无铅焊料的弹性模量，进一步采用塑性应变梯度理论对两种锥角压头的测试结果予以修正并通过数值模拟反分析得到相应的特征应力值，同时基于压入特征塑性应变与压头锥角的关系式得到两种不同锥角压头下的特征应变值，在此基础上经求解方程组得到焊料合金的初始屈服应力与应变强化因子，进而得到了焊料合金的幂强化弹塑性本构关系．该方法剔除了压入尺度效应的影响并保证了所得本构关系的唯一性，给出了一种通过原位压入测试表征金属材料弹塑性力学性能的有效方法．     

含尺度效应的功能梯度三明治微梁振动、弯曲与屈曲特性研究

基于修正的应变梯度理论和精化的高阶剪切变形理论,提出了一种含尺度效应的功能梯度三明治微梁模型。功能梯度材料的等效弹性参数由Mori-Tanaka均匀化方法描述。针对微梁的高阶边值问题,融合微分求积和Gauss-Lobatto求积准则,建立了一种2节点18自由度的微分求积有限元。通过对比性研究,验证了理论及数值模型的有效性。最后,讨论了边界条件、材料尺度参数、功能梯度指数、长细比、各层厚度比等对功能梯度三明治微梁静动态特性的影响。结果表明,功能梯度三明治微梁的静力响应、振动频率、屈曲荷载以及模态均呈现出显著的尺度效应,所得结果有望为微机电系统中承载器件的设计提供数据积累和方法依据。