尺寸效应对微纳米结构力学行为及性质的影响研究

发布时间：2018-11-28 18:31

【摘要】：随着科学技术的发展,微纳米结构的性质和应用日益受到关注。由于尺寸效应的影响,微纳米结构的力学行为和性质往往不同于宏观结构。这使得微纳米结构在诸多领域都具有广阔的应用前景,但也面临着许多新的挑战。在本论文中,我们通过引入尺寸效应,对三种具有重要研究价值的微纳米结构——微尺度圆管、纳米颗粒及晶体表面层——的力学行为及性质进行了理论建模与分析。(1)微尺度圆管中波的传播问题。基于非局部弹性理论,建立了正交各向异性的微尺度壳的波动模型,并得到了波动的相速度、群速度和频率的解析表达式。该微尺度壳波动模型应用于蛋白质微管中机械信号传递的研究,发现非局部效应会减小蛋白质微管中机械信号传递的相速度,且减小的程度随着圆周向半波数的增大而增大。对与轴向波长在80nmm以下的信号,受非局部效应影响更为显著,且对非局部参数的变化比较敏感。微管中的机械信号还会受到温度的影响,并在高／低两个温度区中保持一定的稳定性。该微尺度壳波动模型应用于微尺度圆管中的频率研究,讨论了微尺度圆管中由于波数限制而导致的高频波禁止现象；并从理论上预测了非局部效应可能导致某些微尺度圆管中存在弹性波禁带。这可能是一种新型的禁带机理。我们从材料设计的角度给出了一些思路。(2)纳米颗粒的径向振动问题。利用考虑曲率依赖性的固体表面弹性理论,建立了球对称问题下的表面弹性模型。在弹性力学的基础上,利用该模型获得考虑表面效应的纳米颗粒径向振动问题的解。本论文利用考虑表面效应的弹性模型和原子模型分别计算了纳米颗粒的径向振动的基频,二者符合得很好。频率控制方程表明,影响纳米颗粒径向振动的表面因素为表面弹性而非严格意义上的固体表面应力。对于半径在2.5nm以下的颗粒,表面效应影响显著且呈现尺度依赖性。而当颗粒半径小于2nm时,表面曲率对颗粒振动的影响则不能忽略。数值结果显示,表面效应主要影响纳米颗粒径向振动的基频,而对三阶以上的振动影响不大；但非局部效应对纳米颗粒高阶径向振动的影响十分显著,对基频影响则比较轻微。(3)纳米晶体表面层的几何建模及分层模拟。本论文总结了目前固体表面力学对表面层几何建模的方法并分析了其优缺点。利用分子动力学技术,提出了一种表面原子层识别的方法,并利用该方法对FCC金属和岩盐型离子晶体进行表面分层模拟,识别出他们各自的表面层厚度,使得表面层的直接几何建模成为可能。计算结果还直观地反映了表面力学性质沿深度方向变化的情况。结果表明,原子间长程力对更深层的表面原子性质有一定的扰动作用,且在离子晶体中表面得更为明显。尽管这种扰动作用比较小,但是在离子晶体中其作用范围比以往人们经验中认识的表面层的尺寸大得多。根据本论文的结果,我们建议使用Gurtin-Murdoch表面弹性理论的研究对象的特征尺度不小于5nm。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2363881