单质纳米管、线、球之间及其与基底之间的粘聚力模型

As mechanical structures enter the nanoscale regime, the van der Waals interaction plays a significant role on the mechanical behaivor of the structures. Recently, monatomic nanotubes,nanowires,nanospheres etc have been extensively used in the processing of designing and assembling micro/nano devices. How to quantitatively obtain the cohesive energy between them is significant to exactly design and assembly the devices. The project focuses on these structures and directly obtains the analytical cohesive energy and the cohesive force model of the interfaces between the structures and substrates based on the avaliable non-bonded Lennard-Jones potentials. The analytical results are then validated by the full atom molecular dynamics simulations. Moreover, the analytical models could be used in the cohesive zone model of the finite element model, then the multiscale model can be developed, which should be of great help for designing and assembling the nanomechanical devices and systems.

当结构进入纳米尺度时，范德华力对结构的力学行为会产生极其重要的影响。目前，单种原子组成的纳米管、线、球等广泛地用于微纳器件设计和组装过程中，如何定量地得到其各界面之间及其与基底之间的粘结性能对于精确设计和组装微纳器件是至关重要的。本项目针对这一系列纳米结构，考虑界面两侧原子只有范德华力相互作用，根据已有的原子之间非键相互作用势(如Lennard-Jones势)，利用连续力学方法直接得到其各界面及其与基底之间的粘结能的解析表达式和完整的粘聚力模型，并通过全原子分子动力学模拟验证所得到的解析模型。同时，将该模型的解析结果进一步用于有限元的Cohesive zone model中，从而建立准确高效的多尺度研究方法，为微纳尺度实验中的器件设计和组装提供合理可靠的理论模型和数值分析手段。

复合结构已广泛地应用于仿生材料、微纳电子器件和微机电系统中。同时，在纳米复合材料、液晶显示器、传感器、药物输运等领域也有着潜在的应用前景。当结构进入纳米尺度时，范德华力对结构的力学行为会产生极其重要的影响。目前，单种原子组成的纳米管、线、球等广泛地用于微纳器件设计和组装过程中，如何定量地得到其各界面之间及其与基底之间的粘结性能对于精确设计和组装微纳器件是至关重要的。本项目针对这一系列纳米结构，考虑界面两侧原子只有范德华力相互作用，根据已有的原子之间非键相互作用势，利用连续力学方法直接得到其各界面及其与基底之间的粘结能的解析表达式和完整的粘聚力模型，并通过全原子分子动力学模拟验证所得到的解析模型。同时，将该模型的解析结果进一步用于有限元的Cohesive zone model中，从而建立准确高效的多尺度研究方法，为微纳尺度实验中的器件设计和组装提供合理可靠的理论模型和数值分析手段，从而为研究其他各种复合结构界面强度及其界面的脱落行为奠定了坚实的理论基础。