納米材料及結構的力學新原理及精細表徵技術研究

國家重大科學研究計劃項目「納米材料及結構的力學新原理及精細表徵技術研究」以國家對先進材料的重大需求為背景，面向「納米研究」的學科前沿和應用需求，針對納米材料及納米結構在力學性能科學表徵和在科技領域應用存在的瓶頸問題，建立有效的力學性能的新的表徵理論，提出普適的力學性能的代表性新參量，發展高效高精度以及高分辨的測量原理、測量方法和測量技術，為最終建立納米材料及結構的力學性能的標準和規範建立基礎。

項目由中國科學院力學研究所負責，其他參加單位有天津大學、北京科技大學、國家納米科學中心、中國科學技術大學。

瞄準上述目標，該項目開展的系統性研究工作和取得的創造性研究成果如下：基於熱力學框架建立連續介質跨尺度力學理論（「自上而下」方法），基於原子作用勢建立統計准連續方法（「自下而上」方法）、基於高分辨透射電鏡實時在位觀測統計的方法（「自下而上」方法）以及將「自上而下」與「自下而上」關聯的方法開展研究，提出有效的力學參量；圍繞建立的連續介質跨尺度力學理論中的材料力學參量，研究材料參量的普適性和可測性，提出測量原理；根據建立的測量原理，結合先進實驗儀器設備，分別研究和提出高精度和高解析度的測量方法和技術。

取得的代表性創新成果

建立了同時考慮應變梯度效應和表/界面效應的連續介質跨尺度力學理論；通過將跨尺度力學原理與統計准連續方法和微結構演化測量進行關聯，建立了納米材料及結構的力學性能參量與微觀結構物理信息的關聯，並系統地獲得了典型材料體系的力學參量值。

針對幾種典型的低維納米材料及結構的力學問題進行求解，獲取了基於力學新理論和新參量的普適解，依此建立了納米材料及結構力學行為的實驗表徵方法和測量原理。

基於同時考慮應變梯度效應和表/界面效應的連續介質跨尺度理論，對納米材料及結構的力學性能進行了高效高精度測量，發展了測量方法和技術。

圍繞上述新理論和新原理，對納米材料及結構的力學性能及微結構演化進行了高解析度觀測，發展了高分辨實驗與觀測技術。

項目的主要研究成果

在建立納米材料及結構力學新理論和新原理方面――在表徵納米材料及結構的力學行為時，傳統力學理論已無能為力，需要建立新的力學理論，並為之提供普適的可測量的力學參量。為此，我們提出了同時考慮應變梯度效應和表界面效應的連續介質跨尺度理論。在計及應變梯度效應和表/界面的連續介質跨尺度理論的普適性研究方面、在統計准連續方法的研究方面以及在納米材料及結構力學行為的實驗測量方面均取得重要進展。提出了刻劃材料納米力學行為的普適而可測的材料參量；通過將建立的力學新理論與統計准連續方法及微結構演化實驗測量進行關聯，建立了材料特徵尺度參量和表界面能密度與微觀及微結構物理參量的關聯，系統地獲得了典型材料體系的特徵尺度參量和表界面能密度。在統計准連續方法的研究中，建立了高效高精度的計算方法，效率比分子動力學方法提高了一個量級，通過模擬銅的彈性模量的尺度效應，實現了與他人小尺度實驗結果的無縫鏈接。在相關統計准連續的研究中，獲得了有限溫度及考慮溫度效應的納米結構材料的本構關係，揭示了納米尺度材料變形行為的物理力學機理；發展了納米晶材料在有限溫度、實際載入應變率下變形行為的准連續模擬方法；精細實驗研究揭示出應變梯度效應在梯度納米材料的強韌機制中所起的核心作用。以上研究進展為建立納米材料及結構力學行為測量原理奠定了基礎。

與此成果相關的「納米結構金屬力學行為尺度效應的微觀機理研究」獲2013年度國家自然科學獎二等獎。

在建立力學參量測量原理和方法方面——在提出可有效表徵納米材料和結構力學行為的連續介質尺度理論之後，為了實現把該理論應用於納米材料和結構的力學行為的測量，我們首先需要系統地建立材料參量的測量原理和測量方法。為此，針對實驗測量技術較成熟的微橋試驗方法，將其進一步創新發展成為納米微橋試驗方法，以此研究和建立針對新理論和新參量的測量原理和方法。利用非局域鐵木辛柯梁理論，考慮剪切變形、應變梯度、基體變形以及壓頭與薄膜的接觸變形，建立了包含材料特徵尺度和殘餘應力的梁撓度與外載入荷的半解析表達式，發展了納米微橋實驗的基礎理論，提高了納米微橋實驗的精度，以此建立了納米微橋試驗方法。採用該方法，對幾種典型納米材料及結構的力學行為尺度效應進行了有效的表徵和測量，特別是在獲取非局域解析解及製備納米微橋樣品方法方面取得了突出進展。

在高精度測量研究方面——針對連續介質尺度理論中力學參量的測量原理和方法，發展高精度的測量方法和技術並應用於實際納米材料和結構力學行為的測量中。將掃描電鏡技術、顯微拉曼技術與宏觀拉伸技術相結合，發展了納米纖維的跨尺度實驗力學分析方法；並利用該方法，以CVD製備的大直徑雙壁碳納米管纖維為研究對象，實驗測量及分析了跨尺度界面力學行為對纖維宏觀強韌度的影響，提出了碳納米管多級界面的應力傳遞與破壞機制，給出了該材料多級尺度力學規律及調控其宏觀力學性能的可能的措施。

藉助高精度實驗測量，針對納米手性材料，建立了考慮表面效應的三維空間形貌模型，定量研究了表面對彈性和超彈性的影響及其尺寸效應，結果表明超彈性可有效地提高納米螺旋結構的能量儲存和釋放效率。以攀附植物卷鬚材料為研究對象，結合實驗和理論模型，研究了多級手性結構材料中手性的多尺度傳遞，討論了手性傳遞行為與相關力學性能的表徵。

為了實現連續介質尺度理論應用於納米材料及結構力學行為的高精度測量，發展了碳納米管平面應變感測與拉曼應變花測量技術。目前,納微尺度力學測量中缺少有效的感測技術，本研究構建了一個以碳納米管作為感測介質的平面變形感測理論與測試技術。以隨機分布的碳納米管為應變感測載體，通過建立採樣區間內所有碳納米管的變形與散射行為，對整體光譜的綜合影響模型，推導了光譜參量與平面變形各分量的解析關係方程組，並結合偏振拉曼系統特徵提出了拉曼應變花技術及若干輔助技術。實驗驗證，該技術能夠實現百納米至毫米解析度的平面應變分量及其微區分布規律的精細測量與實驗分析。

基於碳納米管感測技術與拉曼應變花技術的結合,發展了更高解析度的納米力學行為測量技術,即將碳納米管感測技術與近場拉曼技術相結合。

在高解析度觀測技術研究方面——為了實現連續介質尺度理論應用於納米材料及結構力學行為的高分辨測量，我們藉助國家大型光源，針對三維同步輻射光學測量技術，發展實時在位載入觀測系統，完成納米材料及結構的微結構演化和力學行為的高分辨測量。在三維同步輻射光學測量中, 實驗條件不允許採集充足數量的投影數據時（投影數小於等於180幅），為了提高重建圖像襯度和解析度，提出了「先迭代，再濾波反投影」重建新方法。首先採用迭代方法進行圖像預重建；然後對預重建圖像進行投影變換得到系列投影圖像，再結合實驗投影圖像進行濾波反投影重建得到最終的重建圖像。此方法可有效提高重建圖像質量，並可有效去除運動模糊特徵，提高重建精度與解析度。此項工作得到國內外同行的廣泛認可。

項目借鑒傳統力學理論指導材料在工程中的廣泛應用的成功思路，即從理論指導，到實驗原理和方法技術的發展，再到性能標準規範的建立，來建立納米材料及結構的力學新原理及精細表徵技術。研究並建立了適合納米尺度材料和結構的力學理論（跨尺度力學理論），發展了基於該理論的實驗方法和技術，初步實踐了對納米材料及結構應用的指導，為制定測量納米尺度材料和結構的力學性能的標準和規範奠定了基礎。

致謝：感謝國家重大科學研究計劃項目「納米材料及結構的力學新原理及精細表徵技術研究」（項目編號：2012CB937500）的支持。

專家簡介

魏悅廣：中國科學院力學研究所研究員，北京大學工學院教授，國家973計劃項目首席科學家，國家自然科學基金委創新群體首席科學家，國家傑出青年基金獲得者，入選國家「百千萬人才工程」。

>>>本文為原創，轉載請回復。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！