多功能复合材料的表面力学
发布时间: 2010-03-26 02:39:00
材料与结构的复合化和多功能化是当今科学技术的发展趋势和先进工程结构的鲜明特点，力学研究是保障材料和结构经济性、安全性、先进性的基础。复合材料中组分的小尺度化、形状的复杂化、功能的多样化是当今先进复合材料和结构的发展趋势，也是多功能化和轻量化的必然要求。界面是决定复合材料性能的关键因素，小尺度化凸显了表面和界面的重要性。在小尺度，以及在具有特殊功能要求的复合材料中，不同于传统的力学模型，真实界面的几何形貌往往是非规则的，给传统的力学理论带来极大的挑战和发展机遇。发展具有复杂表面和界面形貌的多功能的复合材料的力学理论，研究这些材料的变形和破坏规律是具有重要意义的基础科学问题。近5年来，围绕多功能复合材料表面力学的基础科学问题，取得了重要进展。成果主要内容包括：
在复合材料的表面与界面力学基本问题研究方面，建立了计及表面/界面效应的力学理论框架，以及复杂表面的等效表面应力理论；发展了具有界面效应影响的热力耦合的细观力学框架，利用该细观力学理论框架和实验测试方法，揭示了天然蜜蜂窝的多级层次结构、微观结构仿生机理和新的仿生价值。PNAS将该论文作为当期的亮点论文之一给予了介绍。利用连续介质力学方法建立了基于曲率弹性的界面应力理论框架，构造了界面的超弹性势函数，给出计及界面弯曲刚度的本构关系和广义Young-Laplace方程。建立了考虑表面应力效应的纳米尺度弹性接触力学的基本框架，包括非经典的Boussineesq体系、计及表面效应的Hertz接触模型和JKR黏着接触模型。
在复杂形貌固体表面的浸润理论方面，从理论和实验上发现了液体在具有复杂多级微结构的固体表面上介于经典的Cassie-Baxter和Wenzel浸润状态之间的亚稳态的存在,从而揭示了微结构表面上浸润状态转变的失稳机制。文中的理论公式和实验数据被很多研究组引用，用来检验他们的实验和理论模型的正确性（例如，PRL, 2014, 113：136103）。
建立了预测纤毛结构微型筏内、外弯液面形状以及浮力的理论模型，揭示了该微型筏斥水性的最优化机理，并发现水黾等昆虫腿表面的纤毛结构也满足该优化机理。澳大利亚科学网（ABC science，http://www.abc.net.au/ science/ articles/ 2014/ 03/05/3956647.htm）报道了这个工作：“The results, reported today in Proceedings of the Royal Society A not only provide an insight into the remarkable ability of these insects, but has implications for the design of miniature rafts and water strider-inspired robots that can float stably and move easily across water.” 。英国牛津大学学者 Dominic Vella也在流体力学顶级综述期刊Annual Review of Fluid Mechanics (2015,47:115–35)”大段评述了这项研究工作“Nevertheless, detailed calculations of the maximum load that can be supported by a raft of two-dimensional hairs at an interface (Xue et al. 2014) are of considerable interest. Xue et al.(2014) varied the microscopic contact angle of the hairs,… Xue et al. (2014) also found that, … However, the authors also observed … Most remarkable of all, however, is that the optimal hair spacing predicted by these calculations appears to be in good agreement with previous observations of the properties of the hair layers on the legs of the crane fly (Hu et al. 2011) and water striders (Fenget al. 2007) (see Figure 5c)” 。
在多功能材料的表面力学方面，建立了考虑表面/界面应力、扩散作用的力－化学耦合理论框架，并利用该理论框架揭示芯壳结构电极材料的应力集中问题及表面应力和浓度扩散之间对应力集中影响的竞争机制。建立了异质薄膜/基底结构在局部热源和多层膜条件下的基本力学解；研究了石墨烯/基底异质结构的形貌、力学及电学性能；研制了高耐磨性能和高灵敏度的石墨烯包覆导电原子力显微镜（CAFM）针尖，该项工作获批了世界专利和欧洲专利，纳米技术设备领域的公司也表现出对该项研究成果的浓厚兴趣。
研究团队围绕多功能复合材料表面力学中的关键力学问题，在PNAS、Adv Mater、PRL、J Mech Phys Solids等领域一流期刊上发表SCI论文30多篇，获得授权国际专利1项、发明专利8项。2014年入选爱斯唯尔（Elsevier）中国高被引学者榜单（材料力学）。王建祥主办了国际理论与应用力学联盟（IUTAM）关于纳米材料和复合材料表面和界面力学问题的专题研讨会(IUTAM Symposium on Surface Effects in the Mechanics of Nanomaterials and Hetero-structures, August 8-13, Beijing, China) 。