非均匀材料力学: 学术思想及研究趋势

针对非均匀材料力学当前的8个前沿性课题,以各国科学家在第一届国际非均匀材料力学会议(ICHMM)相关专题讨论会上的发言及总结为红线,介绍了当前国际上在材料/固体力学交叉领域内的一些新的学术思想及研究方向.对多尺度模拟, 新的计算方法,纳米力学,微结构概率力学,广义连续介质力学理论,材料设计,多孔材料和材料就位特性的试验技术等的综合性叙述,阐明了非均匀材料力学的一些新的生长点及其发展方法与前景.      

非均质材料力学研究进展: 热点、焦点和生长点 ————- ICHMM2008的观察和启迪

本文结合第二届国际非均质材料力学会议 (ICHMM2008,黄山)专题讨论会和部分特邀报告的情况, 以及2011年5月22$\sim$26日在上海崇明岛举行的ICHMM2011国际会议的内容, 对该领域的研究进展及其热点、焦点和生长点进行了综合性的评述. 重点讨论了多物理场与多尺度模拟、材料结构与力学行为从原子到连续介质的分析、随机微结构演化与退化、真实材料微结构的模拟、生物材料力学与仿生设计、在位实验和模型验证、功能梯度材料结构力学、微纳米功能器件开发等前沿性课题. 其中特别用较多的篇幅讨论了多物理场与多尺度模拟的背景、目标、必要性、现有方法的优缺点、障碍、应用例子与其他前沿研究领域的联系及其发展态势, 并阐述其研究焦点与值得注意的进展.      

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.论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,论文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望.     

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

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.      

周期性点阵桁架材料力学性能分析的一种新的多尺度计算方法

论文提出一种周期性点阵桁架材料力学性能分析的新的多尺度方法.方法的主要思想是通过数值构造能反映周期性桁架材料单胞内部非均质性的多尺度基函数,从而在大尺度上求得单胞的等效刚度阵,大大减小了模型计算量.通过引入基函数的耦合附加项,以考虑多维矢量场问题不同方向问的耦合作用.数值研究表明,采用线性边界条件构造基函数有时会产生较...     

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.      

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

平纹机织碳纤维复合材料的多尺度随机力学性能预测研究

平纹机织碳纤维复合材料在结构上具有多尺度特性和空间随机性. 同时, 组分材料会因存储条件和组成相成分、批次的不同导致力学性能有所差异. 当考虑各尺度结构和组分性能参数不确定性进行随机力学性能预测时, 存在以下两个难点: 一是随机变量众多, 使得对不确定性传递方法的精度和效率提出了要求; 二是由于随机参数之间存在高维相关性, 需要建立高精度的相关性模型. 针对以上问题, 本文提出了基于混沌多项式展开和Vine Copula的平纹机织复合材料多尺度随机力学性能预测方法, 综合考虑了平纹机织碳纤维复合材料微观及介观尺度的材料、结构随机参数, 基于自下而上层级传递的策略逐尺度地研究力学性能不确定性. 该方法采用Vine Copula理论构造相关随机变量的高维联合概率分布, 并运用非嵌入式混沌多项式展开法实现不确定性传递. 结果显示, 本方法构造的相关性模型几乎与原模型一致, 且能够高效准确地实现各尺度力学性能的随机预测.      

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。     

植物纤维增强复合材料力学高性能化与多功能化研究

论文从植物纤维的微观结构、化学组成以及力学性能入手,针对植物纤维增强复合材料的界面性能,综述了国内外采用植物纤维表面处理方法来提升复合材料力学性能的研究进展,分析了所遇到的瓶颈,并进一步从复合材料结构设计的角度出发,充分利用植物纤维独特的多层次、多尺度的微观结构特点,通过揭示植物纤维增强复合材料多层次、多尺度的界面力学损伤破坏机制,实现了植物纤维增强复合材料的界面调控和力学高性能化.在此基础上,提出了植物纤维增强复合材料兼顾阻燃和声学性能的结构设计原则和特有的界面力学研究方法.此外,也介绍了相关基础研究成果在航空、轨道交通等领域的示范应用,并针对实现绿色复合材料的结构功能一体化的应用提出了未来研究方向.     

磁电复合材料的力学实验与理论研究进展

磁电复合材料同时具备铁磁、铁电性,并且具有磁电耦合效应,在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储等领域有着广泛的应用前景,已成为目前功能材料领域新的研究热点.论文对磁电复合材料在力电磁多场耦合下的力学行为研究的最新进展进行总结和回顾.着重介绍磁电复合材料的磁电耦合效应实验以及多场耦合微纳米力学实验仪器的研制和表征方法.同时,也阐述了磁电复合材料在多场耦合本构理论、失效断裂理论以及多尺度计算方面的研究进展.最后,总结已有研究存在的不足,就目前有待解决科学问题的进一步研究提出建议.     

针尖的分子生物物理力学研究进展

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.      

人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.      

三维计算断裂力学

断裂力学理论从1921年Griffith研究玻璃的脆性断裂问题开始,经历了从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系、从单参数到多参数体系和从理想的二维平面理论到实际三维含裂纹结构的三维断裂理论的发展历程。针对应力强度因子K和J积分以及C(t)积分的计算方法从理想化模型的理论计算发展到实际复杂工程结构裂纹体计算的各种商业软件平台以及专业的断裂理论分析平台。尤其是随着计算机技术的发展,对三维含裂结构的静态和扩展裂纹的计算模拟已经能够融入计算机辅助设计。结合本研究组近30年来在三维疲劳断裂理论和应用研究方面的体会,简述了三维计算断裂力学从裂纹体应力应变分析和断裂参数计算到三维蠕变断裂和疲劳裂纹扩展模拟的国内外进展,并对涉及的计算方法,包括原子尺度和跨尺度的计算模拟,以及目前面临的挑战性问题作了简要介绍和分析。     

复合泡沫塑料力学行为的研究综述

复合泡沫塑料是一种重要的防护材料,它在国防工业和民用工业各部门均有许多重要的应用,对这类材料的力学行为进行研究具有重要的学术价值和应用前景.本文对复合泡沫塑料力学行为的研究文献进行了综述.首先,对复合泡沫塑料力学行为研究的早期工作进行了简介.然后,重点介绍了复合泡沫塑料力学行为研究的最新进展,其中也包括作者近期在该领域开展的一些工作;对复合泡沫塑料进行了静、动态压缩实验和细观加载实验,研究了材料的宏观变形规律和细观失效机制;在理论研究方面,探讨了复合泡沫塑料的能量吸收和缓冲特性,从宏、细观力学分析出发研究了复合泡沫塑料有关力学性能的理论预测问题;还利用计算机和通用软件对高密度复合泡沫塑料进行了有限元分析,研究了高密度复合泡沫塑料的失效行为.最后,给出对该领域研究工作的一些展望.      

关于极端力学

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.      

Extreme mechanics

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.     

Universal hierarchical symmetry for turbulence and general multi-scale fluctuation systems

Scaling is an important measure of multi-scale fluctuation systems. Turbulence as the most remarkable multi-scale system possesses scaling over a wide range of scales. She-Leveque （SL） hierarchical symmetry, since its publication in 1994, has received wide attention. A number of experimental, numerical and theoretical work have been devoted to its verification, extension, and modification. Application to the understanding of magnetohydrodynamic turbulence, motions of cosmic baryon fluids, cosmological supersonic turbulence, natural image, spiral turbulent patterns, DNA anomalous composition, human heart variability are just a few among the most successful examples. A number of modified scaling laws have been derived in the framework of the hierarchical symmetry, and the SL model parameters are found to reveal both the organizational order of the whole system and the properties of the most significant fluctuation structures. A partial set of work related to these studies are reviewed. Particular emphasis is placed on the nature of the hierarchical symmetry. It is suggested that the SL hierarchical symmetry is a new form of the self-organization principle for multi-scale fluctuation systems, and can be employed as a standard analysis tool in the general multi-scale methodology. It is further suggested that the SL hierarchical symmetry implies the existence of a turbulence ensemble. It is speculated that the search for defining the turbulence ensemble might open a new way for deriving statistical closure equations for turbulence and other multi-scale fluctuation systems.