热力耦合作用下硼氮纳米材料的非线性动力学行为研究

Recently, successful preparation of boron nitride nanotube (BNNT) and nanosheet (BNNS) in experiment has caused the growing interest of scientists. It has been shown that boron nitride nanomaterials have unique physical properties, and so they have the extensive application value. However, it is necessary for BNNT/BNNS as a nanodevice to have the ability of undertaking external loads in the high tempreture/frequency case. Thus, the thermal-mechanical properties and behaviors of BNNT and BNNS will be investigated in this project. The main works include developing a thermal-dynamical constitutive model via the Helmholtz free energy of BN nanosystem, constructing a theoretical model for analyzing the thermal -mechanical behaviors of BN nanomaterials with the consideration of the Helmholtz free energy and van der Waals potential energy as well as the external force potential energy by the principle of minimum potential energy, and analyzing the nonlinear free/forced vibration properties and the propagation characteristics of the flexural wave in the single-/multi-walled BNNT or BNNS based respectively on the presented model and the classical molecular dynamics. The aim of this project is to develop a continuum theoretical model for BN nanomaterials, and to study the thermal-mechanical properties of BN nanomaterials. All the results of this project will be helpful for understanding and applicatoin of BN nanomaterials in micro/nano electro mechanical system.

近年来，硼氮纳米管及纳米片层结构在实验中的成功制备引起了科学界的极大关注，研究表明这些硼氮纳米材料具有优异的物理特性，在纳米器件中具有广阔的应用价值。然而，作为纳米器件常常要求在高温、高频下具有稳定的载荷承载及传递能力。因此，本项目拟以单、多层硼氮纳米管及纳米片层结构为研究对象，开展其热-动力学特性及行为的系统研究。研究内容主要包括：基于发展的硼氮纳米系统的亥姆霍兹（Helmholtz）自由能，构建能够表征其热力学性质的本构模型；继而结合范德华作用势以及外力势，基于瞬时最小势能原理构建能够分析硼氮纳米系统热-动力学行为的计算理论框架；基于此，开展针对单、多层硼氮纳米管及片层结构的非线性自由振动、强迫振动以及弯曲波传播等问题的研究，并开展基于经典分子动力学的对比性研究。本项目旨在发展一套适用于研究硼氮纳米材料力学问题的连续体理论模型，揭示硼氮纳米材料的热动力学特性，为其工程应用提供理论依据。

硼氮和碳纳米材料被认为是极具潜在工业应用价值的新型材料。全面系统地研究硼氮以及碳纳米材料的力学、物理及化学等特性将具有很好的科学意义和工程应用价值。为此，本项目在国家基金的资助下，我们通过建立一套能够适用于硼氮、碳纳米材料热力学特性研究的理论模型，并针对硼氮、碳纳米材料、血红细胞膜的基本的热力学特性和行为开展了广泛的研究。同时，开展了石墨烯的非线性振动特性研究和温度对单晶银裂纹扩展的影响研究。首先，基于能够准确描述硼-氮、碳-碳相互作用的原子势，结合高阶Cauchy-Born准则、系统玻尔兹曼自由能以及最小二乘无网格算法，我们严格地构建了一套适用于研究碳、硼氮纳米材料热动力学特性和行为的准连续体理论模型。该模型不仅可以有效地反映纳米材料的微结构信息，同时可以高效地分析纳米材料的基本热力学特性和非线性变形特征。基于该模型，我们研究了碳纳米锥的压缩、弯曲变形行为，研究了血红细胞的基本力学特性，分析了温度对这些基本特性的影响。研究表明，本研究所发展的理论模型可以很好地再现碳纳米锥和血红细胞的基本力学特性和变形特点，可以详细地呈现出纳米锥和血红细胞的热力学特性和变形对其结构几何尺寸的相关性。其次，基于经典的非线性壳理论，我们详细地对比分析了石墨烯材料的线性、非线性振动特性和模态特点。此外，基于经典分子动力学，我们开展了温度对单晶纳米银裂纹扩展的影响，再现了温度对裂纹扩展机理的影响，详细地给出了裂纹扩展的四个主要阶段以及裂纹扩展特征。本项目的研究成果不仅为碳、硼氮纳米材料以及单晶银的基本力学特性理解和认识奠定了一定的理论基础，同时也将有助于这些材料的可能的工业应用。本项目研究的成功实施将为探究纳米材料的热力学特性和变形机理提供理论上的依据和工程应用上的指导。