表面效应对热-机多孔悬臂纳米梁力学性能的影响

表面效应对纳米结构的力学性能有重要影响。飞机上很多微纳尺度的结构可简化为悬臂梁。本工作分析表面效应对随从载荷作用下梯度多孔材料纳米悬臂梁在高温环境下非线性力学响应的影响。基于GurtinMurdoch表面弹性理论和非线性梁理论,建立梯度多孔材料梁在随从载荷以及温度场中的非线性控制微分方程。假定梯度多孔材料的性能在整个厚度范围内连续变化,且沿厚度呈两种余弦形式的非均匀孔隙率分布模式。采用打靶法求解梯度多孔材料悬臂纳米梁在热-随从载荷下的非线性力学响应。获得各种孔隙率系数和不同非均匀升温下悬臂纳米梁非线性力学响应的数值解,详细讨论材料表面弹性常数和表面应力对纳米悬臂梁力学响应的影响。结果表明:不同孔隙率系数和不同非均匀升温下梁的力学行为是不同的;纳米梁表现出十分显著的表面效应。

考虑表面效应的压电半导体梁的静态屈曲行为研究

鉴于表面效应和挠曲电效应对纳米材料或结构的力学行为具有显著影响,以纳米尺度压电半导体(PS)梁为研究对象,根据Hamilton变分原理,推导建立了考虑Steigmann-Ogden表面弹性效应和挠曲电效应的Euler-Bernoulli梁理论模型和相应的边界条件.结合电荷守恒方程和线性漂移扩散方程,研究了该梁结构的静态屈曲行为,得到了短路和开路条件下梁结构的等效弹性常数和屈曲临界压力的解析解.详细分析了表面效应、尺寸效应、挠曲电效应以及载流子屏蔽效应等因素对梁结构的等效弹性常数的影响规律和作用机制.该文的研究结果对基于纳米压电半导体梁结构电子器件的设计和应用具有指导作用.

磁电弹性材料含正六边形纳米缺陷的表面效应研究

在磁电弹性材料断裂力学框架下,利用表面弹性理论和解析函数边值理论,解析研究了反平面机械载荷、面内电载荷和磁载荷耦合作用下磁电弹性体中正六边形孔边均布六条等长裂纹的Ⅲ型断裂力学问题,确定了考虑表面效应时纳米尺寸裂纹问题的精确解.基于以上解析解,通过数值算例揭示了表面效应、缺陷几何参数及所施加的损坏载荷分别在两种理想裂纹面电磁条件假设下对断裂参数的影响规律.研究发现:考虑表面效应时影响裂纹扩展的因素与经典弹性理论解答明显不同.各个物理分量呈现出显著的尺寸依赖效应,但随着缺陷尺寸的增加,表面效应的影响呈下降趋势,并趋于经典弹性理论值.研究可为该材料应用于微纳米结构和微机电系统提供理论指导.

基于第一性原理的无铅无机钙钛矿Cs_(3)Bi_(2)X_(9)(X=Cl、Br、I)光电性能表面效应研究

用基于第一性原理的密度泛函理论方法,对Cs_(3)Bi_(2)X_(9)(X=Cl、Br、I)的光电特性进行理论计算,并系统阐述这3种晶体的表面效应对光电性能的影响。结果表明,3种材料的光学特性由铋原子和卤素原子最外层p轨道上的价电子主导。在可见光区中,材料的吸收峰会随卤素原子序数的增加呈现红移,其中一维结构的Cs_(3)Bi_(2)Cl_(9)表面结构在光吸收能力上尤为特别且敏感;二维结构的Cs_(3)Bi_(2)Br_(9)光吸收能力会受厚度影响;零维结构的Cs_(3)Bi_(2)I_(9)非常稳定,且几乎不受表面特性和晶体厚度的影响。

压电纳米声子晶体梁结构表面效应带隙特性研究

通过纳米尺寸下的纯弹性材料环氧树脂和压电材料PZT-4沿着轴向周期性交替排布,提出了压电纳米声子晶体梁结构的力学模型.将表面压电理论与Euler梁理论相结合,结合平面波展开法,建立了计算该模型能带结构的表面效应平面波展开法.进一步地,外加电压和外加轴力被用来研究机电耦合效应对带隙的影响,残余面应力和材料内禀长度被用来研究表面效应对带隙的影响,以及晶胞内PZT-4对环氧树脂的长度比和高宽比被用来研究几何参数对带隙的影响.研究结果和进一步的分析表明,影响规律对基于压电纳米声子晶体梁的纳米机电系统的设计过程和主动控制将起到积极的推动作用.

表面效应对热电材料中纳米孔周围热应力的影响

基于完整Gurtin-Murdoch(G-M)低阶表面能模型,进一步探讨了纳米尺度下表面效应的影响.建立了合理考虑构型变化的应力边界条件,实现了研究尺度从宏观到微观的转变.利用复变函数理论和保角映射技术,构建了用于纳米尺度下的热-电-力理论框架模型,得到了热电基体中纳米孔周围热场、温度场以及应力场的半解析解.数值结果表明,相对于完整G-M模型,简化G-M模型(忽略孔洞构型变化的影响)往往会高估表面效应和远场热电载荷对热应力分布的影响.此外,表面效应的存在将在一定程度上缓解纳米孔周围的热应力集中.

基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料,孔洞突出的表面效应,使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能.相对于理论和分子动力学仿真,有限元方法更适用于复杂结构模型,但受限于理论难度,以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构,因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能.为此,基于Gurtin-Murdoch表面理论,成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元,并考虑微观结构非均匀性,发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型,将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析,验证了所构建有限元模型的有效性.通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟,揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律.结果表明:所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布,相对于表面拉梅常数,纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向.所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.

考虑表面效应的形状记忆合金纳米梁弯曲特性研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMAs)因其具有形状记忆效应和超弹性,在航空航天、生物医疗、微机电系统领域中得到了广泛的应用.当微结构尺度达到微纳米,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的.本文基于梁弯曲变形理论以及Gurtin-Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对于SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的SMA纳米梁相变力学模型.分析了弯曲载荷、温度、表面残余应力以及表面弹性模量对SMA纳米梁力学性能的影响规律.研究表明在SMA纳米梁相变阶段,忽略和考虑表面效应所得的截面应力及应变相对误差较为明显;在相同弯矩下,随温度的增加SMA纳米梁的截面应力随之增加,并且表面效应对其影响有减小趋势;表面残余应力对SMA纳米梁的影响显著.该文研究结果为SMA纳米梁在微机电领域的设计以及应用提供了一定基础与依据.

SrTiO_3双功能陶瓷的表面效应

通过压制、烧成不同厚度的瓷片，发现在一定的配方和工艺条件下，ＳｒＴｉＯ３双功能陶瓷的压敏电压Ｕ１０ｍＡ与瓷片厚度无关。对瓷片进行单向磨薄后测量表观电阻率，发现ＳｒＴｉＯ３双功能陶瓷存在着表面效应。对本文试样，表面存在厚度小于２０μｍ、电阻率大于１０６Ω·ｃｍ的高阻层，内部是电阻率小于１０Ω·ｃｍ的低电阻体。表面效应是导致ＳｒＴｉＯ３双功能陶瓷与ＺｎＯ压敏陶瓷导电行为不同的根本原因之一。

表面效应对纳米铜杆拉伸性能影响的原子模拟

采用ＥＡＭ势对纳米铜杆的拉伸力学性能进行零温分子动力学模拟，研究了表面效应对原子能量、截面应力分布的影响．模拟结果表明，表面原子弛豫降低了纳米杆初始阶段的拉伸弹性模量，表面效应明显影响截面应力的发展与分布．

振动拉拔的非局部摩擦问题的近似求解及表面效应初探

从非局部摩擦定理出发,建立了振动拉拔加工中的力学平衡微分方程。通过确定有关的非局部影响系数,并结合塑性变形应力应变假设,得到了方程的近似解以及非局部条件下振动拉拔摩擦力的解析表达式。根据给定工艺参数、金属材料力学性能参数和非局部影响系数(ρ,α_o,ε_0,C_0),通过Matlab计算发现,振动塑性加工表面效应的形成是有条件的,并且表面效应的影响因素主要是频率、振幅和非局部影响系数,验证了以往对表面效应定性分析的某些假设,从而实现了振动拉拔表面效应机理的理论初探。

Zn-5Al共晶合金的表面效应对超塑变形的影响

用光学显微镜、扫描电镜研究了Zn 5Al共晶合金超塑变形的表面效应及其影响因素。结果表明 :超塑变形中的晶界滑移机制导致某些晶界由材料内部滑移至表面 ,从而使外表面增加 ;Zn 5Al合金的超塑性表面流动具有长程性 ,而且表面流动对超塑变形具有协调作用 ;表面镀层由于破坏了表面流动的协调性 ,对合金的超塑变形产生阻碍作用。空洞是材料的内自由表面 ,其形核长大与 (2γs-γgb)有关 ,提高表面能、降低晶界能可增强材料的超塑性。

分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应

对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响.自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制.受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜.纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合Griffith理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性.

金属脉冲振动拉拔成形一维表面效应机理分析

针对脉冲振动拉拔过程中出现的表面效应的复杂性,通过对拉拔模中单元体的受力分析,结合傅立叶变换建立力学微分方程。根据非局部摩擦定理,确定与摩擦力有关的非局部影响系数,并利用线性强化模型对力学方程进行近似求解,得到非局部条件下的脉冲振动拉拔动态摩擦力模型。按照给定的金属材料机械性能参数、拉拔工艺参数、振型参数和非局部影响系数,由MATLAB仿真表明,脉冲振动拉拔的表面效应主要与振型参数有关,与其它振型相比,施加脉冲振型产生的表面效应较为显著,对振动的有效利用具有重要的指导作用。

NiFe_2O_4纳米晶的制备及表面效应对其比饱和磁化强度的影响

以FeSO4 ·7H2 O和NiSO4 ·7H2 O为原料 ,首先制备出颗粒细小的碱式碳酸盐前驱体 ,在 30 0～ 70 0℃焙烧 1h后 ,制备出铁酸镍纳米晶 ,粒径为 8～ 54nm ,粒度均匀。通过测量它的比饱和磁化强度σs 与比表面积Sa,得出经验公式σs(Sa) =σs(∞ ) ( 1-aSa) ,运用非共线磁结构理论很好地解释了上述经验公式 ,并得到纳米晶的非共线表面层的厚度。

尺寸效应和表面效应对纳米颗粒比热容的影响

从弹性介质假设出发 ,考虑内部和表面原子对比热容的贡献不同 ,建立起纳米颗粒比热容的理论模型 ,分析了尺寸效应、温度和表面原子振动软化对纳米颗粒比热容的影响 ,提出比热容与尺寸和温度之间的关系 ;以氧化铜颗粒为计算对象 ,具体计算考虑表面和尺寸效应的比热容 。

具有表面效应的压电半空间中的表面波

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据.

非局部因子和表面效应对微纳米材料振动特性的影响

基于非局部理论和表面效应模型,导出表面吸附物对微纳米材料的动力学方程,研究非局部因子和表面能对微纳米传感器振动特性的影响.结果显示,非局部因子、表面能、吸附物种类、附加刚度和基底种类对微纳米结构的振动特性有重要影响.

非线性弹性薄膜表面效应的尺寸相关性研究

在Mindlin假设的前提下,考虑了几何非线性条件及表面效应的影响,建立了纳米尺度下尺寸相关的板状各向同性弹性薄膜模型;从哈密尔顿变分原理出发,导出了薄膜的控制方程,用公式明确阐述了由表面张力引起的符合经典板理论且与薄膜变形相关的残余膜力和弯矩;通过微小尺寸薄膜弯曲的算例,说明了表面效应与薄膜厚度的相关性,当薄膜厚度等于或者小于其内禀尺度时,表面效应对薄膜厚度表现出很强的敏感性。

表面效应对偏场下介电高弹体表面波传播的影响

采用表面薄层模型考察偏场下介电高弹体的表面效应,针对不同边界情形,建立一阶等效边界条件.基于有限变形电弹性体的线性增量理论,利用Stroh公式和Ting方法,给出等效边界条件的严格推导过程.进一步利用Stroh公式,获得了偏场下具有表面效应的介电高弹体中表面波的频散方程.以可压缩Neo-Hookean介电高弹体为例,分析了表面效应对预变形和电学偏场作用下的介电高弹体表面波传播特性的影响.结果表明,通过施加适当的偏场,可以调控和优化纳米声表器件的性能.