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探索纳米力学:从理论到实验

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:纳米力学是伴随着纳米科学技术的发展而兴起和发展的一门新学科。纳米力学的范畴可从不同的视角来考察。从研究的手段上,可分为纳米计算力学、纳米实验力学和纳米力学理论。纳米表面工程中的纳米力学问题除了包含上述纳米力学基本含义之外,还包括纳米材料涂覆层与基体的表面与界面、涂覆层力学性能、涂覆层制备热力学与动力学、涂覆层性能强化机理等特定内涵。

探索纳米力学:从理论到实验

纳米力学是伴随着纳米科学技术的发展而兴起和发展的一门新学科。纳米力学包含了两层含义:一为纳米尺度力学,即研究特征尺度为1~100nm之间的微细结构所涉及的力学问题;二为纳观力学,即从纳米的尺度上展示的力学新观察[1]。由于纳米材料的特殊尺度效应,它不仅具有某些连续介质的特征,同时具有离散特征,这就使得人们的研究方法可以从两个方向来进行,即应用宏观连续介质力学的方法来研究具有离散特征的纳米力学及应用量子力学、分子动力学等具有离散特征的研究方法来研究具有连续介质特征的纳米力学。它们的共同目的是用来描述纳米材料或结构所具有的独特的性能。

纳米力学的范畴可从不同的视角来考察。从研究的手段上,可分为纳米计算力学、纳米实验力学和纳米力学理论。纳米计算力学包括不同类型的数值模拟方法,如基于量子力学的计算方法、大规模分子动力学计算和多尺度计算,有关纳米计算力学方法将在第8章第8.2和第8.3节展开讨论。纳米实验力学也有两层含义:一是对特征尺度为1~100nm之间的微细结构进行的实验力学研究;二是以纳米层次的分辨率来测量力学场。从具有纳米尺度的特殊构形上,可包含纳米薄膜力学、纳米晶体力学等内容,有关这方面的内容可分别参考本书第4章第4.4节和第5章第5.2节及5.3节。此外,从研究的问题上,纳米力学还可区分为纳米塑性力学、纳米断裂力学、纳米结构稳定性等内容。纳米塑性力学探讨在纳米尺度上的形变特征,涉及纳米结构形变机制的转变、位错在纳米尺度的形态等,纳米材料形变的一些特点亦可参阅已有的综述[2-5]。纳米断裂力学亦有两层含义,一是在裂纹尖端纳米区域上所出现的特征,如无位错区特征、高应变梯度特征、裂尖位错结构特征、纳米裂纹的萌生特征[6]等;二是具有纳米尺度的微结构所特有的断裂行为,如纳米晶体的断裂及韧脆转变特征、纳米薄膜夹层的高约束特征[7]等。(www.xing528.com)

纳米表面工程中的纳米力学问题除了包含上述纳米力学基本含义之外,还包括纳米材料涂覆层与基体的表面与界面、涂覆层力学性能、涂覆层制备热力学与动力学、涂覆层性能强化机理等特定内涵。限于著者们的学识,本章主要涉及纳米表面工程中固态表面纳米压痕和划痕等实验力学内容,主要框架构建在纳米接触力学和微细尺度的连续介质力学之上。

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