具有表面效应非均匀介质接触力学行为的研究

With the rapid development of nano-science and nanotechnology, nano-materials and nano-devices have gained increasing interest in many research areas and applications. Owing to the increased ratio of surface/interface to bulk volume and the substantial difference of potential energy at nanoscales, surface effects play an important role on the mechanical performances of nano-materials and nano-devices, which are clearly distinct from those macroscopic counterparts, like size-dependent phenomena and mechanical behaviors of contact problem，etc. In the conventional elastic theory, there is no an intrinsic length involved in the constitutive laws, thereby the theoretical predictions are of size-independent. The surface elasticity, in which surface/interface energy is incorporated, has a good agreement with the results obtained by molecular dynamics simulations and can illuminate some mechanical characteristics of nano-materials and nano-devices. The stress concentrations induced by such defects as inclusions and cavities etc are one of the key factors for change of contact mechanical behavior of inhomogeneious materials. Based on surface elasticity, the present study investigates the effects of surface and interactions of defects on the contact mechanical behaviors of heterogemeities embedded with cylindrical,spherical and spheroidal inhomogeneities or cavities.The research will indicate that the size and shape of defects play an important role on the contact mechanical behaviors of inhomogeneious medium. These will be helpful for contact design theory of nano-devices.

随着纳米科学和技术的发展，纳米材料和纳米元器件得到了广泛研究和应用。在纳米尺度，由于界面面积与体积之比显著增加，以及表面原子和内部原子巨大的势能差，表面效应显著，使得纳米材料和纳米元器件的力学性能同宏观性能明显不同，如尺度相关性，接触力学行为等。在经典的弹性理论中，由于本构方程中不含有内禀长度，经典弹性理论无法预测尺度相关性。同分子动力学模拟结果的比较表明，考虑了表面效应的表面弹性理论能够很好地反映纳米材料和结构的一些力学特征。鉴于非均匀介质中的夹杂、孔洞和裂缝等缺陷引起的应力集中是导致接触力学行为改变的主要因素，本课题基于表面弹性理论，研究具有表面效应的缺陷对非均匀介质接触力学行为的影响，包括各种规则形状，如圆柱状，颗粒状以及椭球状的缺陷引起的应力集中，以及这些缺陷之间的相互作用对接触力学行为的影响，揭示非均质材料接触力学行为与尺度和形状相关的特性，为纳米元器件的接触设计提供理论指导。

随着纳米科学和技术的发展，纳米材料和纳米元器件得到了广泛研究和应用。在纳米尺度，由于界面面积与体积之比显著增加，以及表面原子和内部原子巨大的势能差，表面效应显著，使得纳米材料和纳米元器件的力学性能同宏观性能明显不同，如尺度相关性，接触力学行为等。在经典的弹性理论中，由于本构方程中不含有内禀长度，经典弹性理论无法预测尺度相关性。同分子动力学模拟结果的比较表明，考虑了表面效应的表面弹性理论能够很好地反映纳米材料和结构的一些力学特征。鉴于非均匀介质中的夹杂、孔洞和裂缝等缺陷引起的应力集中是导致接触力学行为改变的主要因素，本课题基于表面弹性理论，研究具有表面效应的缺陷对非均匀介质接触力学行为的影响，包括各种规则形状，如圆柱状，颗粒状以及椭球状的缺陷引起的应力集中，以及这些缺陷之间的相互作用对接触力学行为的影响，揭示非均质材料接触力学行为与尺度和形状相关的特性，为纳米元器件的接触设计提供理论指导。