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1、交通科学第28卷第4期武汉理工大学学报(与工程版)Vol.28No.42004年8月JournalofWuhanUniversityofTechnologyAug.2004(TransportationScience&Engineering)*纳米力学问题与计算方法1)2)1)杨吉新张宝魁左生荣1)2)(武汉理工大学交通学院武汉430063)(河北工业大学土木工程学院天津300132)摘要:分析了纳米材料的四大效应所带来的力学问题.对纳米力学概念、研究对象和研究范围等进行了简要的回顾和描述,同时对纳米力学计算方法的原理、发展过程和应用情况进行了综述,包括分子动力学方法、蒙特卡罗法、混合法及
2、元胞自动机方法等,并对纳米力学计算方法的发展趋势进行了讨论.关键词:纳米材料;纳米力学;分子动力学;蒙特卡罗;元胞自动机中图法分类号:O302;O3691纳米材料中的力学问题级,材料的力学性能就变得复杂,此时Hall-Petch关系能否成立引起了许多学者的兴趣.从20世纪纳米材料是晶粒或晶界等显微结构能达到纳80年代末到20世纪90年代初,对各种纳米材料的Hall-Petch关系进行了研究,归结起来有三种米尺寸水平的材料.迄今为止,已人工制备的纳米材料有原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、碳不同的结果:(1)正Hall-Petch关系(k>0),如蒸纳米管和纳米固体等.在对这些材料进行的观
3、察发凝聚原位加压纳米TiO2,用高能球磨制备的纳米Fe和纳米Nb3Sn2,用金属Al水解法制备的-和试验中,人们发现了一系列传统材料所不具有的效应[1～4].Al2O3和-Al2O3等纳米结构材料;(2)反Hall-1.1小尺寸效应Petch关系(k<0).这种关系在常规多层晶体中纳米粒子是由有限个原子或分子组成,改变从未出现过,但对许多纳米材料都观察到这种现了原来有无数个原子和分子组成的集体属性.当象.例如,用蒸发原位加压制成的纳米Pd晶体和纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当非晶化法制备的Ni-P纳米晶粒等;(3)正、反混或更小时,周期性的边界条件将被破坏,力、光、合Hall-
4、Petch关系.最近,对多种纳米材料试验热、磁等与普通晶粒相比都有很大变化,这就是纳都观察到这种现象,如纳晶Cu,当晶粒尺寸大于米材料的小尺寸效应.临界尺寸时,呈正Hall-Petch关系;小于临界尺就力学性能而言,许多传统材料也存在尺寸寸时,呈反Hall-Petch关系.其他的一些力学性效应,强度随着尺寸的减小而提高,即存在Hall-能如弹性模量、硬度、断裂韧性、疲劳和蠕变等也Petch关系:材料屈服应力与平均晶粒尺寸d出现不同于传统材料的现象.的平方根的倒数成线性关系,用公式表示为1.2量子尺寸效应=-1/2纳米粒子尺寸下降到一定值时,费米能级附0+kd(1)近的电子能级由连续能级
5、变为分立能级的现象称式中:0为移动单个位错时所需的点阵摩擦阻力;k为常数,随不同的材料而异.出现Hall-为量子尺寸效应.纳米材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性,导致纳米材料一系列特Petch关系的最重要的原因是缺陷存在概率的减殊性能.这使得在纳米材料的力学行为的分析中,少.但是,如果材料的尺度进一步减小到纳米量收稿日期:20040421杨吉新:男,40岁,博士后,副教授,主要研究领域为力学与土木工程*国家自然科学基金项目资助(批准号:10372075)第4期杨吉新等:纳米力学问题与计算方法·505·量子效应的计入十分必要.若用以往的细观力学主要是材料和结构的纳观力学行为、纳米材
6、料的(通常不考虑量子效应)方法来计算纳米材料的力力学行为和纳米结构(器件)的力学行为.这样,可学行为,势必造成较大误差.将宏观、细观、纳米、微观力学的研究范围进行划1.3表面效应分,如表1所列.随着材料粒径尺寸减小,最外层表面原子所表1各分支力学的研究范围占的比例大幅度增加.当材料粒子直径减小到纳分支名称米级时,不仅引起表面原子数的迅速增加,而且纳宏观力学细观力学纳米力学微观力学100nm0.1～0.1nm米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加.固体材尺度范围100m以上～100m100nm以下料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的.当材料粒径远大于原子直径时,表面原子可忽略,3纳米力学
7、的计算方法但当粒径接近于原子直径时,表面原子的数目就不能忽略,晶界对材料的力学性质有重大影响.纳米力学研究的主要手段是试验观测、数值1.4宏观量子隧道效应模拟和理论分析.因纳米力学理论尚缺乏学科的微观粒子具有惯穿势垒能力的效应称为隧道系统性,目前对纳米力学的研究主要是通过试验效应.近年来,人们发现一些宏观量,如微粒的磁观测和数值模拟.因此,数值计算方法在纳米力学化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道中占有
