《一種表征納米結構材料表/界面效應的新理論及其套用》是依託北京理工大學，由陳少華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：一種表征納米結構材料表/界面效應的新理論及其套用
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：陳少華
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
納米結構材料由於具有較大的比表面積，其力學性能顯現出明顯的尺寸相關性，即納米結構材料的表/界面效應。已有表/界面效應的理論模型幾乎都引入表/界面彈性常數，該參量的確定給理論套用帶來一定的困難。本項目主旨是發展一種有效的理論模型，避免表/界面彈性模量的引入。首先，考慮表面原子與體原子晶格失配、外載荷作用以及表面原子不飽和配位對表/界面能密度的影響，建立表/界面效應引起的額外面力與表/界面能密度的關係。結合體平衡方程，形成一種刻畫表/界面效應的新理論模型。其次，套用新理論模型分析不同種類納米結構材料，包括納米線、納米膜、納米顆粒、納米複合材料等，系統研究表/界面效應對納米結構材料力學行為影響。最後，系統開展同種材料製備納米懸臂樑及固支梁微彎曲實驗，測量並分析納米梁等效彈性模量，揭示表/界面效應引起納米結構材料軟、硬化現象的物理本質。新的模型可為納米結構材料設計和套用提供更方便可行的理論指導。
結題摘要
納米結構材料由於具有較大的比表面積，其力學性能顯現出明顯的尺寸相關性，即納米結構材料的表/界面效應。已有表/界面效應的理論模型幾乎都引入表/界面彈性常數，該參量的確定給理論套用帶來一定的困難。本項目的主要研究內容：(1) 建立一種表征納米結構材料表/界面效應的新理論；（2）分析不同類型納米結構材料力學性能的表面效應；（3）分析納米相增強複合材料力學性能的界面效應;(4) 揭示納米結構材料表/界面效應引起材料軟化或硬化行為的物理機制。項目取得的重要結果包括：（1）給出表面原子與體原子晶格失配、外載荷作用以及表面原子不飽和配位對表面能密度的影響，建立表面效應引起的額外面力與表面能密度的關係，結合體平衡方程，提出一種新表面效應彈性理論；（2）基於界面自由能密度的概念，建立了界面能密度和界面處應力跳變的解析關係，界面能密度表示為晶格弛豫變形、失配變形和外載應變的函式，避免了界面彈性常數的引入，提出了一種共格界面效應的新彈性理論；（3）基於提出的表面效應彈性理論，分析多個納米結構材料及納米元件中表面效應對其材料力學性能的影響，包括納米線和納米膜的彈性模量、固有振動頻率等物理量的尺寸相關性，納米顆粒的徑向收縮、納尺度表面接觸問題、鋰電池電極的應力分析等典型問題。（4）基於新的界面效應彈性理論，結合細觀力學方法，得到了納米顆粒增強複合材料等效體積和剪下模量的封閉解形式，進一步預測了納米複合材料彈性性能的尺寸效應，並發現納米複合材料的硬化行為是界面形成過程中表面弛豫和晶格失配共同作用的結果；（5）揭示了表/界面性質對納米材料力學性能影響的物理本質，澄清了不同納米結構材料中表/界面效應引起軟化和硬化的本質。新的表面及界面效應理論可為納米結構材料設計和套用提供更方便可行的理論指導。
