浅谈培养大学生进行科学研究工作

本文通过总结自己指导大学生进行科研创新实践的经验,从多个层面探讨如何培养大学生的科研能力。

针尖的化学物理力学研究

扫描探针显微镜的发明，使人们了解纳米、分子和原子尺度的超微结构，探测原子、分子间的力、电、磁及其复杂的物理和化学性质，以及进行单原子、单分子操纵成为现实。本文从探针技术与表面化学物理力学耦合的角度出发，首先对针尖的化学物理力学研究领域进行了概述，接着介绍了针尖的几种重要的化学修饰方法，包括金属薄膜、自组装单分子膜、胶体粒子及碳纳米管修饰；然后以理论与实验结合的方式介绍了几个研究活跃的领域：表面力及分子间力(主要包括Van der Vqaals力，双电层力，憎水亲合力，Casimir力和单键力等)的理论描述与测量，针尖的化学物理力学在化学力滴定和表面化学识别等研究中的应用。讨论了针尖与基底材料对测量力的影响。而这些复杂的原子、分子相互作用和物理、化学、力学及生物特性的实现均发生于小小针尖上，由此我们提出了“针尖力学”的概念。并且指出多场(如电场、磁场、超声、微波等)作用下，针尖的化学物理力学研究将成为力学交叉学科研究的重点和热点。

基于黏滑运动原理的单自由度纳米定位台设计与动力学分析

为解决基于扫描电镜纳米操作系统定位驱动方面的关键技术,分别研制能够实现水平定位和垂直定位的单自由度纳米定位台。定位台采用黏滑驱动原理,驱动机构采用柔性铰链设计,O形调节圈的引入既实现摩擦力的精密调节又保证整体结构的紧凑。为研究黏滑驱动原理和辅助纳米定位台设计,建立单自由度纳米定位台的动力学模型。考虑压电陶瓷的动态特性和摩擦力的非线性变化,对压电驱动模型进行线性化处理,引入LuGre模型实现对摩擦力的表达。试验结果表明该动力学模型能够有效地描述黏滑定位台的运动状态。单自由度水平和垂直纳米定位台的最大外形尺寸分别为24 mm×24 mm×17 mm和24 mm×24 mm×34 mm,均具有8 nm定位分辨率和50 mm行程,最大负载质量可达66 g。利用所设计的两种纳米定位台搭建基于SEM的双探针纳米操作系统,纳米线双探针操作试验表明该两种纳米定位台完全满足SEM下进行纳米操作的要求。

超声化学法制备介孔复合材料的研究

将超声技术引入介孔材料的合成中是近年来研究的热点 ,用超声诱导的方法可大大缩短合成时间 ,又可获得性能优良的介孔复合材料。从超声化学的基本原理和特点出发 ,主要介绍了超声法在制备硅基介孔材料和非硅基介孔材料方面的应用 ,并对超声化学法在该领域的发展前景进行了展望。

管内流体对单壁碳纳米管中弯曲波频散的影响

由于其管状结构,碳纳米管在纳机械系统中可望被用作输流管道。采用连续介质力学方法,研究管内有流体存在时碳纳米管中弯曲波的传播和频散。建立流体存在时考虑二阶应变梯度的非局部弹性Timoshenko梁方程。流体的存在,使相速度最低的解支相速度降低。当流速较低时,流速对碳纳米管中弯曲波传播的影响不大。当流速较高时,相速度最低的一支随流速增加相速度降低。当流速非常高时,该解支会消失。但流体的存在对其他解支影响不大。随着波数的升高,非局部弹性所描述的微结构对碳纳米管中弯曲波传播的影响越来越明显。

微波加热在有序介孔材料研究中的进展

利用微波进行化学合成是近年发展起来的一种简单、快捷、高效的合成方法。综述了微波在有序介孔材料合成、模板剂脱除和在介孔材料负载活性组分中的应用,介绍了一些典型的有序介孔材料的微波合成新进展,指出了该方法在有序介孔材料合成中的优势及发展前景。

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力-电耦合实验研究,较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展,进而探讨了在“针尖”这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况．通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型,指出探针技术在生物分子(包括遗传物质和蛋白质)力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义．提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点；将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合,发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向．

郭万林 纳米材料技术专家

您在纳米技术方面进行了许多开创性的研究，请简要谈谈目前您在该领域的研究情况。

厚度依赖的二氧化钛薄膜光学性能研究

用溶胶-凝胶法制备了不同厚度的纳米二氧化钛薄膜,场发射扫描电镜和原子力显微镜观察,薄膜比较平整,颗粒大小均匀,X射线衍射和拉曼光谱分析表明,热处理温度为400-700℃的薄膜呈锐钛矿晶型,光致发光谱结果表明,薄膜有良好的荧光特性,发光峰较强,且薄膜厚度对其光致发光强度有显著影响。

有限厚中心圆孔板的最大三维应力集中

应用有限元法对有限厚中心圆孔板的三维应力集中进行了分析。分析发现,当板厚是孔半径的2.4倍时,出现最大应力集中,若此时采用总厚度与其相等的系列分层板来代替整板,将有效地降低三维应力集中;对于厚板,最大应力集中总是出现在离自由表面1.2倍孔半径的位置。分析得到最大三维应力集中系数与相应平面解之间的近似关系;在缺口系数的基础上,研究了三维应力集中对疲劳强度的影响,并给出一个三维应力集中对疲劳强度的影响系数。

表面形貌对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢耐腐蚀性能的影响

利用扫描电镜和原子力显微镜等方法研究了在偏酸性环境条件下,表面形貌对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢耐腐蚀性能的影响。结果表明:1000#砂纸抛光试样的耐腐蚀性能最好,机械磨削试样次之,800#砂纸抛光试样的最差;试样的耐腐蚀性能并不是随着表面粗糙度的降低而增强;这主要是由于1000#砂纸抛光试样具有较高的亚稳态和稳定孔蚀电位,而800#砂纸抛光试样比磨削试样更容易在表面形成腐蚀微电池所引起的。

金属材料表面形貌对微观力学行为的影响

利用原子力显微镜对不同金属试件表面的三维形貌进行了定量表征和分析,并通过建立有限元模型研究了表面微观应力集中的分布及变化。结果表明:不同的表面处理方式、不同的材料性质对表面微观形貌的影响非常明显,而且在金属表面,微观应力的分布与其微观形貌紧密相关,当表面处理方式改变时,表征参数的全面改变是导致微应力集中变化的主要原因,在评价表面状态对疲劳性能的影响时,不能仅考虑表面粗糙度的改变,应当综合分析各表征参数的变化。

V型缺口裂端的三维应力状态及约束分析

利用三维有限元方法,研究了有限厚度板中V型缺口根部穿透裂纹前沿的三维弹性应力场。对不同厚度、不同缺口张开角和裂纹长度对应力强度因子及裂尖附近的三维约束程度的影响进行了分析,同时还讨论了三维约束区的大小。研究结果显示:当缺口张开角小于60度时,不同缺口的应力强度因子和离面约束因子的分布基本一致,角度的影响不明显。应力强度因子是厚度的函数,板中面的应力强度因子随厚度的增加逐渐减小趋近于平面值,最大为1.08倍的平面值。当板厚超过15倍的缺口深度时,应力强度因子最大值将从中面转移至接近自由表面位置,距中面约0.4倍板厚。三维约束非常明显的区域在裂尖前沿约0.45倍厚度的范围内,二维到三维的过渡区在裂尖前沿1.5倍厚度的区域内;在中面上三维效应影响区最大,随着离中面距离的增加逐渐减小,在自由表面上降为0。

表面微观形貌对疲劳强度影响的定量分析

利用原子力显微镜对表面定量测量的结果,通过建立有限元模型,分析了表面微观形貌表征参数对微应力集中的影响,研究了四种不同表面处理方式对lCrllNi2w2MoV不锈钢疲劳性能的影响。结果表明:各表征参数包括微缺陷温度、微缺陷的谷底半径和单峰平均间距对微压力集中都有影响,仅靠表面粗糙度参数无法真实反映表面微观形貌对微应力分布的影响;不同表面微观形貌所引起疲劳性能的变化与其表征参数的变化是一致的,利用表面形貌参数可以定量分析不同表面所导致的疲劳性能的改变。

一种确定双重应力强度因子的数值方法

基于奇异点附近的位移场和奇异应力场,提出了一种利用普通的数值分析结果确定双重应力强度因子的数值方法和提高应力强度因子求解精度的结点选取方法,并把确定V形切口与裂纹的应力强度因子问题统一起来,利用有限元软件MSC/Nastran对ⅠⅡ型复合平面裂纹以及V型切口问题进行了具体计算。计算结果表明,所提出的方法具有通用性强、精度高的特点,便于实际工程应用。

Casimir力和静电力驱动下同轴圆柱管模型的GHz振动

提出了一种双层同轴圆柱管振动的力学模型,并用连续介质力学的方法分析了该模型分别在Casimir力和静电力驱动下的振动特性．计算结果表明,在理想情况下,如果模型管间距达到1纳米量级,Casimir力和静电力有可能驱动该模型达到GHz甚至更高量级频率的振动,这说明Casimir力和静电力驱动GHz的振动具有理论上的可行性．

Casimir力对微加速度计性能的影响分析

随着微器件的尺寸日益缩小,有必要评估Casimir力对微器件性能的影响。本文以微机电系统中常见的微加速度计为对象,建模分析了Casimir力对其性能的影响。研究表明,Casimir力对微加速度计性能的影响随极板间距离的减小而迅速增大。Casimir力使得微加速度计的最大可检测加速度减小,并且随支撑梁刚度的减小,对灵敏度的影响逐渐增大。当检测电容极板间距离等于400nm时,Casimir力引起微加速度计的最大可检加速度的降幅达5.89%。

椭圆孔三维应力集中及其对疲劳强度的影响

应用有限单元法对有限厚中心椭圆孔板的三维应力集中进行了分析。发现厚板的最大应力集中总是与自由表面保持一固定的距离而不随板厚的增加而变化;椭圆形状因子越小,距离自由表面越近。得到了最大三维应力集中、表面应力集中与相应平面解之间的近似关系和经验公式;研究了厚度对疲劳强度的影响,并给出相应的影响系数。

改进的BP神经网络在多裂纹柱体扭转中的应用

提出一种基于BP神经网络的多裂纹柱体扭转问题的数据新处理方法。以多裂纹柱体扭转问题为例,以MATLAB中的神经网络工具箱为工具,采用了改进的BP神经网络,并对其设计方案进行了详细的分析说明,发现动量参数对训练次数影响很大,而学习率对它的影响很小;采用双隐含层比单隐含层训练更稳定,收敛的也更快,同时给出了理想的学习方案。最后对柱体的抗扭刚度实验值进行快速拟合,得到了裂纹尖端的应力强度因子K3。结果证明这种设计方案计算的更精确、收敛速度更快。

石墨烯在自供能传感系统中的应用

随着现代社会智能化的加速发展,传感系统中传感器的数量、密度和分布范围不断增加,传统的供能方式难以满足如此复杂多变的传感器供能需求,从周围环境中收集能量并转化为电能的自供能传感器件是解决这一难题的有效途径。石墨烯不仅具有优异的传感性能,而且在各种能源器件中有广泛的应用,这为基于石墨烯的自供能传感器件设计提供了便利。近年来,人们已经研究和发展了多种多样的石墨烯自供能传感器件。本文基于自供能器件的基本能量供给原理,包括电化学供能、光伏供能、摩擦电供能、水伏供能以及热电、压电、热释电等其它供能,分别介绍了石墨烯在自供能传感器件中的应用,并展望了基于石墨烯的自供能传感器件的未来发展、挑战和前景。