无机微纳米双螺旋结构的机械性质研究

In recent years micro-/nanohelices, as three-dimensional structures of helicity and periodicity, are the frontier subject of materials science. This project aims to study the mechanical properties of inorganic double-helix micro-/nano-structure. With the aid of the concept of an extensible and shearable Cosserat curve, we will establish a novel theoretical basis for statics and dynamics of double-helix micro-/nano-structure with essential extension and shear, which is able to quantitatively analyze the mechanical properties in the entire stretching and compressing processes. The theorical results will be tested by the loading experiments of the inorganic double-helix nanostructure. We will derive the expressions of the mechanical quantities, which allow us to not only predict several important mechanical properties of double-helix micro-/nanostructure: the elastic modulus and the stretch of the coil wire under the axial loading, but also study the mechanical stability of micro-/double-helix nanostructure by calculating the ultimate tensile strength and the critical load for buckling. The project provides useful information for the future experimental investigation on the double-helix micro-/nano-structure as well as their application in micro-/nano-electromechanical systems.

三维微纳米螺旋材料是当代材料科学领域的前沿。本项目提出进行无机微纳米双螺旋结构机械性质的创新研究：我们将利用考虑了拉伸和剪切形变的Cosserat 曲线理论建立微纳米双螺旋结构静态和动态理论模型，并利用无机微纳米螺旋机械性能测试的实验数据资料来验证模型，定量解释微纳米双螺旋结构在全部拉伸和压缩区域的负载实验。然后通过计算双螺旋结构的抗拉强度和屈曲临界负载来研究其机械稳定性，并且得到双螺旋结构的弹性模量、螺旋线拉伸量等重要物理参量。从而将微纳米双螺旋结构更好的应用于微纳米电子机械系统。

纳米双螺旋结构种类繁多且形态独特，近年来受到广泛的理论和实验研究。在众多双螺旋结构中，有一种类似于绳子结构，它的两条螺旋链相互缠绕在一起，并且接触轨迹为一条线。值得一提的是可以通过任何一维纳米结构来获得这种绳状双螺旋结构。在本项目中，我们借助于具有拉伸形变的Cosserat曲线，建立了一套静态和动态理论来研究双螺旋结构，特别是绳状双螺旋结构。通过定量研究绳状纳米双螺旋结构的机械性质，我们发现在拉伸螺旋过程中螺旋链本身的拉伸非常重要，并且螺旋角越大极限抗拉强度越大，弹性也越好。在整个拉伸范围内拉伸模量几乎为常数，双螺旋结构保持线性弹性性。所以绳状纳米双螺旋结构具有优异的机械稳定性，这一点同时被实验研究和有限元分析所证实。我们模型的另一个重要结果是给出了螺旋链相互作用力和轴向力矩的表达式。研究发现，圆截面、方形截面和矩形截面的螺旋中，副法线螺旋线性弹性区域最长，并且机械稳定性最好。副法线单链螺旋的这些优点使得我们想到螺旋线截面的非对称性是否也会改进双螺旋的材料性质。那么在常见的非对称截面中，只有椭圆截面的单链螺旋能形成这种结构。我们先研究了单链椭圆截面微纳米螺旋，然后我们将弹性细杆截面非对称这个条件加入基于Cosserat曲线理论的双螺旋模型中，研究了法线和副法线纳米双螺旋结构的机械性质。我们定量证明了由直线缠绕而成的而不是由单根螺旋构成的法线纳米螺旋在负载能力和弹性方面都超过副法线纳米螺旋和绳状纳米螺旋，并且该结构同时保持了机械稳定性。经计算得到密排双螺旋结构的螺旋角，以及可构成双螺旋结构的最小半轴比。同时我们给出了一组表达式用来计算非对称截面双螺旋结构在轴向负载下的各物理量，比如螺旋链相互作用力、拉伸模量和力矩。为了将Cosserat曲线理论应用于纳米管双螺旋结构的研究，我们还建立了一套理论来定量研究单链纳米管螺旋在整个拉伸和拉断区域的弹性行为。我们希望本项目的研究能为进一步实验研究纳米双螺旋结构的机械性质，以及将它们应用于微纳米电子机械系统提供帮助。