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1、322..第卷第期力学进展从〕132No22002年5月25日ADVA,NCESINMECHANICSMay252002纳米力学进展杨卫马新玲王宏涛洪伟,清华大学工程力学系破坏力学开放实验室北京10084E一mail:yw-dem@tsinghua.edu.en摘要概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴进行界定,然后介绍纳米力学方法,包括属于纳观计算力学范畴的大规模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层.、LM;算法准连续介质算法和PM方法及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法随即
2、:、、阐述纳米力学的新兴研究领域包括纳米晶体的超塑性变形纳观断裂力学纳米管力学和纳米压痕力学.,,,,,,,关健词纳米力学纳观计算纳米云纹法纳米压痕法纳米晶体超塑性变形纳观断裂力学纳米管力学1纳米力学(nanomeehanies)的定义与范畴世纪之交的信息技术革命,造成了以纳米科学为标志的一块新领域[l].力学工作者被带入一个既非传统宏观,也非传统微观的科研处女地.纳米力学是纳米科学的重要组成部分.固体在纳米尺度下力学行为已成为物质科学的重要内容.克林顿著名的加州理工学院报告中提出纳米科学技术的三项光辉前景中有两
3、个与纳米力学息息相关(指发展强度为钢的10倍而重量仅为;钢几分之一的纳米结构材料发展可将美国国会图书馆全部信息凝缩储存于厘米见方大小的纳米材料存储器)[z].:,n纳米力学包含了两层含义一为纳米尺度力学即特征尺度为(1、10)m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.与细观力学不同(其,,1nm、10拼m之间)适用的特征尺度约为0纳米力学并不仅以连续介质力学为载体而兼具连、,;尺度在纳米以下的单纯量子力学研究不同续介质和离散描述的特征与探讨微观世界纳米力学着力于探讨由成千上
4、万原子组成的凝聚态物质所涌现的带有整体特征的力学行为.限于著,,者们的学识本文仅涉及固态纳米力学主要框架构建在分子动力学和微细尺度的连续介质力学之上..,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跨层次计算,在第2节将展开讨论纳米实验力学也有两层:一1、1nm之间的微细结构进行的实验力学研究;含义是对特征尺度为(0)二是以纳米层次,.3:一的分辨率来测量力学场详见第节纳米
5、力学理论的框架可用两种方式来建立是混合型:一一,:一一收稿日期20011114修回日期20020121,、,、或嵌套型即将固态物质中较完整缓时变的区域考虑为连续介质而将缺陷密度高快变化,;二是兼容型的区域用分子动力学来描述即考虑可兼容连续介质力学与分子动力学的描述框架.目前刚刚开始将连续介质力学或分子动力学与量子力学来进行多尺度描述,该描述无法采.,用常规的混合或兼容方法因为除了定解方程的不同外:边界条件的衔接亦提出新的困难量子,力学的边界条件针对外层电子云而连续介质力学和分子动力学的边界条件针对原子核的位置或传
6、递力.采用跨层次的级进方法,即将分子动力学与密度泛函方法相结合或许能实现这一目.标[3,4],.从研究的问题上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到纳米结构形变机制的转变位错在纳米尺度的形态等(部分内容见第4节),纳米材料形变的一些特点亦可参阅已有的综述[5一51.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(DFz)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[0]等;二是具有纳米尺度的微结构所特有的,
7、.、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[l0]等这一研究已经展开,本文将在第6节中加以探讨.关于纳米尺度下利用扫描力显微镜加载来观测断裂行为也是一个引人注目的研究课题工}.[l纳米结构的稳定性研究主要讨论纳米结构材料在温度和应力场作用下的演化[lz,13},包括微结构演化、晶粒长大、三晶交的孔隙演化、纳米自组装花样的形成等[‘“、14].,.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、纳米管力学等内容外延式的生长方式造成纳米薄膜上的强烈的错配应力[ls,‘6],而薄膜的
8、纳米尺度又使量子限制.,效应得到凸现以7}纳米薄膜中的高应力还造成对其能带结构的调制从而实现特异的微电子、.光电子行为[ls,19}基底上沉积的具有高额残余应力的复合膜是未来实现纳米导线的一条制造途径.纳米晶体力学是一个新形成的领域,本文将在第4.1节中对其加以扼要介绍.纳米管是报道最多的纳米构型,本文将在第5节中介绍纳米管力学的近期发展.,,、、从纳米力学的应用来看可包
