微纳米尺度的力学行为
探寻微尺度材料与结构的力学规律
创新之路Way of Innovation探寻微尺度材料与结构的力学规律——记中国科学技术大学工程科学学院研究员汪国睿 刘玉杰中国科学技术大学（以下简称“中科大”）的外表淳朴无华，但她的一草一木在恬静之下，却仿佛涌动着一股力量。
就像中科大人，在温文尔雅的外表之下，满怀永不服输的雄心；在天真纯洁的气质之中，内蕴过人的智慧。
汲取母校精神文化养分，滋养自我发展根茎，汪国睿从新芽长成枝叶茂密的大树，潇洒挺秀。
致力于微纳米材料结构及其界面的固体力学实验研究，他已取得一些成绩。
母校始终是汪国睿的精神、情感所系。
2012年从中科大本科毕业，北上北京、远赴多伦多，用10年时间完成积累，2022年汪国睿毅然回到母校。
从中科大到中科大，从求学到工作，10年求索汪国睿又回到原点，开始了一个追梦人的新轮回。
贵人相助，笃定走科研之路2008年，汪国睿欣喜地收到了中科大的录取通知书，他如愿被力学系录取。
因为钱学森先生是中科大力学系的首任系主任，这让汪国睿感觉到距离伟大科学家如此之近，发奋求学、振兴祖国的使命感在他心中自然生发。
中科大强调基础研究、聚焦前沿热点，是一个真正能让人安心做科研的地方。
在如此治学氛围中浸染，汪国睿在大三时便开始接触科研，并通过大学生研究计划获得了在中国科学院力学研究所学习的机会。
当时魏宇杰教授刚从美国麻省理工学院学成归国，他带回了新方法、新思想。
能在对科研一无所知时遇到魏老师引路，汪国睿觉得很幸运。
对于当时所研究的高铁轮轨接触问题，汪国睿也是印象深刻。
那是他第一次用所学知识解决生活中的实际问题，也第一次领略到科研的意义所在。
笃定走科研之路的汪国睿，在大学毕业后选择继续读研。
恰逢当时国家纳米科学中心的张忠研究员回母校宣讲，他便毅然决然地跟随其前往北京求学、工作，这一去就是6年。
在国家纳米科学中心，汪国睿接触到最前沿的设备和技术，认识了优秀的师长和同学，眼界、知识面及实践能力都得到了极大提升。
博士期间，汪国睿的主要工作是发展新的实验方法和检测技术去表征、探索微观界面的新奇力学行为，分析界面对于材料和器件力学性能的影响。
纳米材料的力学特性研究
纳米材料的力学特性研究纳米材料，作为一种新兴的材料，具有独特的物理、化学和力学特性。
力学特性是纳米材料中最为重要的研究方向之一，它关乎到纳米材料的可持续发展以及在各个领域的应用潜力。
本文将以纳米材料的力学特性研究为主题，介绍相关领域的新进展和挑战。
一、纳米材料的力学特性简介纳米材料的力学特性指的是在力学和材料科学中研究材料在施加力的作用下产生的变形行为和力学性能。
纳米材料的力学特性具有独特性，主要体现在以下几个方面：1. 尺度效应：由于纳米材料的尺寸通常在纳米级别，所以其力学特性会受到尺度效应的影响。
纳米材料的强度、硬度和韧性等力学性能与其尺寸有关，呈现出与宏观材料截然不同的特点。
2. 表面效应：纳米材料的表面积较大，表面效应在其力学特性中起到重要作用。
表面效应在纳米材料中导致应力场和位移场分布的非均匀性，从而影响了力学性能。
3. 晶界效应：纳米材料由于其颗粒尺寸较小，晶界的比例相对较高，晶界效应对力学特性的影响较大。
晶界是由不同晶格结构的晶体颗粒之间的相界面组成，晶界的存在会对纳米材料的强度、塑性和断裂韧性等力学性能产生显著的影响。
4. 可控变形：纳米材料具有较好的可塑性和可控变形能力，可以通过改变结构和形貌来调控其力学特性。
这为纳米材料的制备和应用提供了新的技术途径和研究方向。
二、纳米材料力学特性研究方法为了深入研究纳米材料的力学特性，科学家提出了许多研究方法和技术。
以下列举了几种常见的方法：1. 原位实时观察：通过采用透射电子显微镜（TEM）等技术，可以实时观察和记录纳米材料在变形过程中的微观结构和力学行为，进而得到纳米材料的力学性能参数。
2. 纳米压痕：纳米压痕技术可以通过在纳米尺度下施加小负载并测量样品的力学响应，来评估纳米材料的力学特性，如硬度、弹性模量等。
3. 分子动力学模拟：分子动力学模拟是一种基于粒子系统的计算模拟方法，可以模拟纳米材料的力学行为。
通过这种方法，可以研究纳米材料的原子层面的力学响应和变形机制。
流体动力学中的微尺度流动问题研究
流体动力学中的微尺度流动问题研究引言流体动力学是研究流体力学规律的科学，其应用范围广泛，包括大尺度和微尺度的流动问题。
本文将重点研究流体动力学中的微尺度流动问题，探讨其研究现状、挑战与前景。
1. 微尺度流动问题的研究背景微尺度流动指的是流体在微米尺度下的运动行为，主要包括纳米尺度的流动和微米尺度的流动。
随着纳米技术的发展和应用，微尺度流动问题受到了越来越多的关注。
微尺度流动具有许多特殊的物理现象和力学行为，与传统的宏观流体动力学存在很大差异，因此需要深入研究微尺度流动问题。
2. 微尺度流动问题的研究现状目前，微尺度流动问题的研究主要集中在以下几个方面：2.1 界面效应在纳米尺度下，由于表面张力和壁面效应的存在，流体的流动行为受到界面效应的显著影响。
研究人员通过理论模拟和实验测试，探究了界面效应对微尺度流动行为的影响，并提出了相应的理论模型和数值计算方法。
2.2 湍流效应与宏观流体动力学不同，纳米尺度下的流体流动通常是属于稳态流动，很少出现湍流现象。
然而，在特定条件下，纳米尺度流动中的湍流效应仍然存在，并且具有一些特殊的现象和行为。
研究人员通过实验观测和数值模拟，探索了纳米尺度流动中湍流效应的机制和规律。
2.3 分子扩散效应由于纳米尺度流动中分子的热运动，分子扩散效应在微尺度流动问题中起着重要作用。
研究人员通过理论推导和数值计算，研究了纳米尺度下的分子扩散行为，并提出了相应的模型和方法。
2.4 液体晶体流动液体晶体是一种介于晶体和液体之间的形态，具有特殊的流动行为和力学性质。
研究人员通过实验和理论模拟，研究了液体晶体在微尺度下的流动行为，并提出了相应的理论描述和数值计算方法。
2.5 生物流体力学微尺度流动问题在生物学和医学领域中具有重要的应用价值。
研究人员通过实验和理论研究，探究了微尺度流动在生物体内的行为和作用机制，以及其在疾病诊断和治疗中的应用前景。
3. 微尺度流动问题研究的挑战尽管微尺度流动问题受到了广泛的关注，但在研究过程中仍然存在许多挑战：3.1 实验条件的限制由于微尺度流动问题是在纳米或微米尺度下进行研究，需要使用高精度的实验设备和技术。
微尺度流场内粒子运动行为探索
微尺度流场内粒子运动行为探索一、微尺度流场概述微尺度流场是指在微观尺度上，流体的流动特性和粒子的运动行为。
这一领域涉及流体力学、材料科学、纳米技术和生物医学等多个学科。
微尺度流场的研究对于理解流体在微观层面的传输机制、粒子的操控和分离技术以及生物体内流体的流动等具有重要意义。
1.1 微尺度流场的特点微尺度流场具有一些独特的特点，包括流体的惯性力相对较小，表面效应显著，以及粒子与流体之间的相互作用变得尤为重要。
这些特点使得微尺度流场的研究具有挑战性，同时也为创新技术的开发提供了机遇。
1.2 微尺度流场的研究意义微尺度流场的研究对于多个领域具有重要的应用前景。
在生物医学领域，它有助于我们更好地理解细胞内物质的运输机制；在材料科学中，微尺度流场的研究可以促进新型纳米材料的开发；在环境科学中，微尺度流场对污染物的迁移和转化过程的理解至关重要。
二、微尺度流场内粒子运动行为分析微尺度流场内粒子的运动行为受到多种因素的影响，包括流体的粘度、粒子的大小和形状、流体与粒子之间的相互作用力等。
深入分析这些因素对于揭示粒子运动的规律具有重要意义。
2.1 粒子运动的基本理论粒子在微尺度流场中的运动可以通过流体力学的基本方程来描述，如纳维-斯托克斯方程和连续性方程。
这些方程考虑了流体的粘性、压力梯度、粒子的拖曳力等因素，为粒子运动的模拟和预测提供了理论基础。
2.2 粒子运动的实验观测实验观测是研究微尺度流场内粒子运动行为的重要手段。
通过高速摄像、粒子图像测速(PIV)、激光散射等技术，可以直观地观察到粒子在流体中的运动轨迹和分布状态，从而验证理论模型的准确性。
2.3 粒子运动的数值模拟数值模拟是研究微尺度流场内粒子运动行为的另一种有效方法。
通过计算流体动力学(CFD)软件，可以模拟流体流动和粒子运动的复杂过程，预测不同条件下粒子的行为，为实验设计和参数优化提供指导。
三、微尺度流场内粒子运动行为的应用探索微尺度流场内粒子的运动行为在多个领域有着广泛的应用，探索这些应用有助于推动相关技术的发展和创新。
材料力学的最新研究进展
材料力学的最新研究进展材料力学是物理学和工程学领域的重要分支，其研究对象为固体材料的性质与行为，主要是研究材料受力下的行为和变形规律。
随着科技的进步和人类需求的不断提高，材料力学的研究也在不断的发展和深入。
本文将介绍材料力学的最新研究进展，包括微纳米材料力学、金属材料力学、高强度纤维复合材料力学以及仿生材料等。
微纳米材料力学纳米级别的材料具有与宏观材料截然不同的物理和化学特性，这种特性对材料的力学行为和力学性质有着显著的影响，因此，纳米力学成为近年来材料力学领域的研究热点。
在纳米尺度下，普通材料的力学行为将与宏观尺度下的预测模型不同，而纳米材料的物理特性对于材料的力学行为影响更大。
近年来，微纳米力学研究的主要问题是如何描述力学行为的尺寸效应，这一问题的解决对于纳米材料的开发与应用具有重要意义。
金属材料力学金属材料力学的主要研究内容是金属的力学性能和应力应变行为。
金属材料具有良好的机械性能，同时其可塑性高、韧性好、加工性能好等特点也使其被广泛应用。
在现代工业中，金属材料的研究涵盖了钢铁、铜、铝等众多金属材料。
针对不同的金属材料和应用情况，研究人员需要提取和分析不同的实验数据，建立相应的理论模型，以预测和描述金属的力学行为。
高强度纤维复合材料力学高强度纤维复合材料是一种由纤维和基质组成的材料，具有优异的机械性能、轻质化、高强度等优点，广泛应用于航空航天、汽车、运动器材等领域。
该材料的力学性质与结构密切相关，研究高强度纤维复合材料力学的重点之一是建立合适的力学分析模型。
随着研究的深入，人们发现，纤维与基质之间的相互作用是高强度纤维复合材料力学性能的重要决定因素之一。
仿生材料仿生材料是一类模仿生物体的特性和性能进行设计和构造的人工材料，具有与自然材料相似的特性，并且能够在一定程度上模拟和表现出自然材料的各种功能。
如何将仿生材料的力学特性与原材料相互匹配、相互搭配，以达到最优的效果，是现在研究的重点。
最近的一系列研究成果表明，仿生材料的发展潜力巨大，可以应用于许多领域，例如医学、环境保护、能量等，是未来人类探索新材料、发展新技术的重要方向。
微流体力学
微流体力学
微流体力学是研究微小尺度下流体行为的学科领域，主要关注微米至毫米尺度范围内的流体流动、传输和控制。
这一领域涉及到微型通道、微流体芯片等微纳米尺度下的流体动力学和传输现象，其应用范围涵盖生物医学、化学、物理学和工程学等多个领域。
微流体力学的内容包括以下几个方面：
1. 微型通道流动：研究微小通道中流体的流动特性，包括流速分布、流体黏度、表面张力等。
2. 微混合和反应：研究微流体环境下不同物质的混合、扩散和反应规律，例如在微型生化实验中的应用。
3. 微粒子输运：研究微流体环境下颗粒或微粒子的输运行为，可用于分离、过滤或生物医学领域中的药物输送。
4. 微流体芯片技术：开发微流体芯片、微型反应器等微型装置，用于生物化学实验、药物筛选、DNA分析等。
5. 生物医学应用：应用于微流体生物芯片、细胞培养、基因检测、生物分析等领域。
微流体力学的研究对于理解微尺度下的流体行为、开发微型装置和创新微流体技术有重要意义，有望在医学诊断、生物分析、药物传递等领域发挥重要作用。
微尺度力学研究对纳米技术的推动作用
微尺度力学研究对纳米技术的推动作用纳米技术是近年来备受关注的前沿科技领域，它的发展和应用将深刻影响我们的生活和社会。
而微尺度力学研究正是推动纳米技术发展的重要一环。
本文将探讨微尺度力学研究对纳米技术的推动作用，并从材料力学、器件设计和应用领域三个方面展开论述。
首先，微尺度力学研究在纳米材料的开发和应用中起到了关键作用。
纳米材料具有独特的物理和化学性质，然而，由于其尺寸极小，常规力学理论无法准确描述其力学行为。
微尺度力学研究通过建立适用于纳米尺度的力学模型和理论框架，使得科学家们能够更好地理解纳米材料的性质和行为。
例如，通过微尺度力学研究，科学家们发现纳米材料的强度、刚度和塑性行为与其尺寸、晶格结构和缺陷密度等因素密切相关。
这些研究成果为纳米材料的设计、合成和应用提供了重要的理论指导。
其次，微尺度力学研究对纳米器件的设计和优化起到了重要作用。
纳米器件是纳米技术的核心应用之一，其性能和可靠性直接关系到纳米技术的发展和应用。
然而，由于器件尺寸极小，常规设计方法和理论已经不再适用。
微尺度力学研究通过模拟和分析纳米器件的力学行为，为器件的设计和优化提供了重要的支持。
例如，通过微尺度力学研究，科学家们发现纳米器件在应力和应变的作用下会发生尺寸效应、表面效应和界面效应等现象，这些效应对器件的性能和可靠性有着重要影响。
基于这些研究成果，科学家们能够更好地设计和优化纳米器件的结构和材料，提高其性能和可靠性。
最后，微尺度力学研究在纳米技术的应用领域发挥了重要作用。
纳米技术已经广泛应用于材料、能源、医疗、电子等多个领域，而微尺度力学研究为这些应用提供了理论和技术支持。
例如，在材料领域，微尺度力学研究使得科学家们能够开发出具有特殊力学性能的纳米材料，如高强度、高韧性和高导热性的材料。
在能源领域，微尺度力学研究为纳米材料的储能和转换提供了理论指导，如纳米材料的电池、太阳能电池和燃料电池等。
在医疗领域，微尺度力学研究为纳米材料的生物相容性和药物传输等问题提供了解决方案。
微尺度流体力学问题数值模拟方法
微尺度流体力学问题数值模拟方法微尺度流体力学是研究微小尺度下的流体行为和性质的一门学科。
在微尺度下，介观和纳米尺度下的流体物理现象开始发挥作用，如毛细效应、界面张力和界面流动等。
提供一个准确且高效的数值模拟方法对于理解和预测微尺度流体力学问题至关重要。
本文将介绍几种常用的微尺度流体力学问题数值模拟方法。
首先，格子Boltzmann方法是一种适用于多孔介质流动和微通道流动的数值模拟方法。
该方法基于玻尔兹曼方程，通过对流体分子在离散速度空间上的概率密度函数进行模拟，来计算流体的宏观性质。
格子Boltzmann方法通过将流体分为网格单元，模拟从一个时间步到另一个时间步的碰撞和分布函数的传播。
该方法具有高效、精确和可扩展性的优点，适用于微通道中复杂的流动和传热问题。
其次，分子动力学方法也是一种常用的微尺度流体力学数值模拟方法。
该方法通过对流体分子的运动进行直接模拟，来研究微尺度下的流体行为。
分子动力学方法将流体系统建模为一组相互作用的粒子，并通过求解牛顿运动方程来模拟流体分子的动力学行为。
该方法可以模拟流体的微观行为，并能捕捉到一些重要的纳米尺度效应，如界面张力和毛细效应等。
分子动力学方法可以提供详细的流体结构和动力学信息，但计算成本较高。
第三，无尺度方法是近年来发展起来的一种用于微尺度流体力学数值模拟的方法。
无尺度方法将流体行为建模为微观和宏观尺度的相互作用，通过数值计算来模拟微尺度流体的行为。
无尺度方法是基于连续介质力学和分子动力学的方法，结合了二者的优点。
该方法通过引入无量纲参数来简化模拟，并利用尺度分析来确定重要的物理效应。
无尺度方法可以在较低的计算成本下模拟微尺度下的流体行为，是一种高效且准确的数值模拟方法。
此外，在微尺度流体力学中，还有一些其他的数值模拟方法，如边界元方法、有限元方法和有限差分方法等。
这些方法在不同的问题和条件下具有不同的适用性。
边界元方法适用于具有复杂几何形状的问题，有限元方法适用于高精度和复杂耦合的场景，有限差分方法适用于粗粒度模拟和大规模并行计算。
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院士论坛 世界科技研究与发展 ２００４年８月 做纳米尺度昀力学行为 杨 卫 （清华大学工程力学系，北京１０００８４）
摘要：本文展述微纳米尺度力学行为的若干新进展：（１）微纳米尺度的断裂行为一侧重于从离散 位错区到无位错区再到原子运动混沌区的纳观断裂力学描述；（２）微纳米尺度的塑性行为—探讨位 错机制被抑制后的塑性变形机制；（３）纳米晶体中的扩散一以不均匀晶界和三晶交网络的扩散为主 导；（４）微纳米尺度的接触与摩擦一讨论由于接触区域小而引起的反常行为；（５）微纳米尺度的碰撞 介绍新发现的超音速激波的机理；（６）跨层次算法一从原子／连续介质的可透越区模型到握手区 连结的物质点／分子动力学方法。
关键词：微纳米尺度力学断裂塑性扩散摩擦跨层次纳米晶体 Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ．ｎａｎｏｓｃａｌｅ ＹＡＮＧ Ｗｅｉ （Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４）
微纳米尺度力学是国际理论与应用力学联合会 确立的５个力学发展新方向之一，近年来得到飞速 发展。本文仅讨论与著者１０年来的科研工作有密 切关系的６个相关的前沿科学问题。 １微纳米尺度的断裂行为 微纳米尺度的断裂行为是一个多层次的问 题【 ，２ｌ。近年的研究结果表明：由外至内，裂纹尖端 由下述嵌套区域所包围：（１）弹性区、（２）连续介质经 典塑性区、（３）基于几何必需位错的应变梯度区、（４） 离散位错区、（５）无位错弹性区、（６）裂尖原子运动混 沌区。前三个外层区域是连续介质力学的研究范 畴。我们近年的工作主要集中在后三个内层区域。 在离散位错区，我们利用位错堆积模型论证了 受约束金属薄层的断裂韧性随层厚的下降 Ｊ，建立 并提出了由裂纹ＤＦＺ前位错反塞积所驱动的准解 理断裂理论 ３。该理论解释了裂纹钝化后再出现 脆性解理断裂的有趣现象，定量地表达了由于裂纹 第２页 Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．４ 钝化时位错发射而造成的应力双峰分布，导致在裂 纹前方的纳米裂纹形核并随之与主裂纹汇合的机 制。利用纳米云纹法，我们得到了单晶硅从离散位 错区到无位错区的纳观变形场，见图１［引。由此可 获得直至离裂尖４ｍｍ的应变场，比以往的裂尖位移 量测结果细化了约２个量级。结果表明线弹性断裂 力学Ｋ场可适用于裂纹尖端几个纳米的尺度解。 对裂尖原子运动混沌区，通过探讨原子振动混沌模 式在裂纹顶端随应力强度因子历史的时间演化和空 间传播特征而发现：在准静态解理断裂前会发生原 子混沌运动的前兆，该混沌过程所需的Ｋ场激发值 仅为准静态下理论断裂韧性值的一半；位错的发射 也具有混沌特征，位错在时空位置上飘忽不定的概 率分布造成位错云，裂尖位错发生混沌所需的应力 强度因子值亦仅为准静态理论值的一半。材料韧脆 转变决定于解理与位错发射两种混沌模式在时间演 化和空间传播的竞争。
维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年８月 世界科技研究与发展 院士论坛 ２微纳米尺度的塑性行为 常规晶体的塑性行为基于位错理论。但当晶粒 尺寸减小到２０ｎｍ范围内时，实验表明晶粒内鲜有 位错存在。纳米晶体由仅可弹性畸变的晶粒和可物 质扩散的晶界组成。纳米晶体的塑性机制是固体力 学的一个重要问题。Ａｓｈｂｙ的四晶粒团簇模型尚未 形成一个变形的闭环。我们提出了９晶粒团簇模 型，整个变形环节由插人过程和旋转过程构成。该 环节可循环往复，实现任意延伸率。我们建立了考 虑插人和旋转过程的纳米晶体塑性理论ｌ５ Ｊ，在不需 任何拟合参数的情况下定量地模拟出纳米铜的蠕变 数据。对该模型已经完成了二维和三维的推广ｌ６Ｊ，
并发展了材料微结构演化的模拟算法。 分子动力学是研究微纳米尺度高速变形的一种 手段。我们提出一种高效率、具有ｏ（Ｎ）计算性能 的并行分子动力学数值模拟方案。采用该方法对纳 米结构进行了并行分子动力学数值模拟［ 。已经 实现对１００万个原子的系统进行数百万步的国内计 算量最大的分子动力学模拟，见图２。模拟结果表 明：（１）高速大变形由堆垛层错的形成所主导；（２）出 现从长程有序到短程有序的转变；（３）晶粒半径分布 变宽，平均半径随变形增加；（４）晶粒长大的主要机 制是小转动下由堆垛层错穿越晶界的汇合机制和大 转动下由堆垛层错平行扫过晶界的孪晶机制。
图１单晶硅裂纹尖端处的垂直位移场云纹图，左：无云纹错配；右：有错配应变和错配角 图２ 多晶纳米铜在快速拉伸变形下的局部晶序图，左：２％；右：３９％ ３纳米晶体中的扩散 对微纳米尺度的晶粒，同质或异质的晶界扩散 十分重要。前者对纳晶金属蠕变行为起重要影响， 后者在低温渗氮等过程中起决定作用。对经过表面 纳米化的金属多晶体，尺度效应在多晶扩散中有很 强的体现。我们在经典多晶扩散模型（Ｌ—Ｍ模型） 的基础上引入晶粒尺寸的梯度分布，数值模拟了表
ｚｅ ￡ ￡｝．ｇｌｏｂｅｓｃｉ．Ｃ０１７１
面机械研磨Ｆｅ渗氮实验的浓度分布曲线ｌ８Ｊ，定量地 再现了低温渗氮过程。我们还进一步讨论了三晶交 对多晶扩散的影响，提出三晶交三维网络扩散模型。
４微纳米尺度的接触与摩擦 微纳米尺度的接触与摩擦讨论由于接触区域小 而引起的反常行为。这时有两个尺度比值引人注 目：一个是接触区域尺度与晶粒尺度的比值；一个是
Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．４ 第３页
维普资讯 http://www.cqvip.com 院士论坛 世界科技研究与发展 ２００４年８月 接触区域尺度与ＪＫＲ粘结影响尺度的比值。在纳 米多晶的高速压痕过程中，会不断发射堆垛层错。 这些层错往往被高度密集的网状晶界捕获，从而阻 止了塑性变形向纳米晶体材料内部的传播。我 们 Ｊ利用并行分子动力学计算研究了纳米晶体在 纳米压痕下的堆垛层错的进发和终止。在纳米多晶 进行纳米压痕时，压在晶界处时的力一位移响应比 压在晶内处稍软。而单晶压痕过程中生成的堆垛层 错可直接传播到晶体内部。碳纳米管的接触行为是 个非常奇异的现象。我们用分子动力学方法对平 行堆叠的单壁碳纳米管之间的接触与摩擦过程进行 了模拟和分析。展示了纳米管之间的悬浮和反常摩
擦学现象，碳纳米管分子之间的长程范德华力是导 致碳纳米管这些反常行为的一个原因［１ ０ｌ。
５微纳米尺度的碰撞 关于超高速撞击的分子动力学模拟［¨］表明：当 以每秒１０公里的高速用铜纳米颗粒撞击铜基体时， 会形成以超音速的速度传播的激波。图３表示了在 镶嵌原子法（ＥＡＭ）下的模拟结果。出现超音速激 波的原因在于波前由于高度压缩而引起的切线模量 激增，导致产生局部亚音速但总体超音速的压缩激 波。
图３用ＥＡＭ势模拟的以１０ｋｍ／ｓ速度碰撞后０．２ｐｓ、０．４ｐｓ、０．６ｐｓ、０．８ｐｓ、１．０ｐｓ和１．２ｐｓ时刻的径向速度场图 ６跨层次算法 我们早期提出了宏细纳观三层嵌套模型。其构 成方案为：（ａ）用原子镶嵌模型和分子动力学理论 模拟裂尖附近的纳观区行为；（ｂ）用弹性基体加离 散位错来描述细观区行为，位错的运动由位错动力 学曲线支配；（ｃ）在纳观区与细观区的交界上采用 原子／连续介质交叠带和缺陷结构的透越技术，实现 裂尖发射位错的跨层次传递；（ｄ）在宏观区采用超 弹性骷塑性大变形本构关系和有限元计算方案； （ｅ）在纳观区与细观区的交界上采用位错吸收条 第４页 Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．４ 件。该原子点阵／连续介质的嵌套算法还可以模拟 界面结构与形貌。在原子点阵／连续介质交叠带方 案下，Ｙａｎｇ等［ ，ｌ２］模拟出从裂尖发射的原子点阵位 错运行并转变为连续介质位错群的动态过程，并探 讨了在不同界面断裂混合度下波折界面对位错发射 的抑制作用。但这种连续介质一分子动力学分区耦 合算法不具有自适应优化特征。必须发展具有动力 特征、级进特征、层次间无缝连接、自适应优化的新 算法。“晶格材料点方法”体现了这些新的要求。晶 格材料点既代表连续介质意义上的材料点，又代表 原子意义上的晶格点。它为自适应材料点方法和分
∞：２ ５ Ｏ ｍ ∞ 一 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年８月 世界科技研究与发展 院士论坛 子动力学模拟方法这两个表述之间提供平滑过渡， 并将两者投影于一个背景网格中。连续介质区域和 原子区域的区分是动态的，在模拟过程中是自适应 可调的。连续介质区域的物质点具有分层结构，从 而解决空间和时间尺度的优化计算和层次迭代问 题。 最近，郭增才和杨卫提出了新的ＭＤ—ＭＰＭ— ＨＳ跨尺度计算模式。在跨尺度计算中，在关键区 域（如裂纹尖端、超高速碰撞的碰撞区域、纳米压痕 的压头附近区域等）可采用分子动力学来模拟，而在 其它非关键区域，则采用连续介质力学模拟。对连 续介质区域的计算可采用ＭＰＭ（材料点方法），分 子动力学区域的计算则用ＥＡＭ势。在连接区域， 我们把材料点看作原子并把其排列在实际晶格位 置。连接区域的原子和周围的材料点有相互作用， 分子动力学计算时，连接区域的材料点（看作原子） 为分子动力学区域原子提供原子环境（材料点处的 电子云密度影响分子动力学区域原子的电子云密 度，材料点对连接区域的原子有按原子间距离变化 的引力或斥力）；连续介质区域计算时，连接区域的 原子对周围的材料点提供边界条件，即原子对周围 的材料点有拉力或压力作用，计算时，我们把该作用 力等效在背景网格节点上。于是便实现了两个区域 间更好的握手连接。 我们采用上述方法进行了三维跨尺度模拟，模 拟了韧性材料（铜）和脆性材料（硅）的超高速碰撞。 参见图４和图５。
图４含１０５２个原子的团簇撞击后４．２ｐｓ的局部晶序图。左：主视图；中：顶视图；右：底视图 图５原子团簇撞击在含裂纹基体上的局部晶序图。左：２．５ｐｓ；中：５．Ｏｐｓ；右：７．５ｐｓ 参考文献 ［１］杨卫．宏微观断裂力学．国防工业出版社，１９９５ ［２］Ｇｅｒｂｅｒｉｅｈ ｗｗ ａｎｄ Ｙａｎｇ Ｗ ｅｅｌｓ．Ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ ａｎｄ Ｎａｎｏｓ￣ｌｅ Ｆａｉｌｕｒｅ， Ｖｏ１．８ ｏｆ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｏｘ· ｆ０ｒｄ．２００３ ［３］ＺｈｕＴ．，ＹａｎｇＷ．ａｎｄＧｕｏＴ．Ｑｕａｓｉ—ｃｌｅａｖａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｄｉｓｌｏｅａｔｉｏｎ ｐｉｌｅｕｐｓ．Ａｅｔａ Ｍｅｔａｌ１．Ｍａｔｅｒ．，１９９６，４４：３０４９－－３０５８
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［４］邢永明，戴福隆，杨卫．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ａｂｏｕｔ ｎａｎｏ－ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ Ｎｅａｒ ｑｕａｓｉ．ｃｌｅａｖａｇｅ ｃｒａｃｋ ｔｉｐ．Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，２０００，４３：９６３ ９６８ ［５］Ｙａｎｇ Ｗ．ａｎｄ Ｗａｎｇ Ｈ．Ｔ．Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｎｏ－ｇｒａｉｎｅｄ ｍｅｔａｌｓ．Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｌｉｄｓ，２００４，５２：８７５－－８８９ ［６］Ｗａｎｇ Ｈ．Ｔ ａｎｄ Ｙａｎｇ Ｗ．Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｍｅｔａｌｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｊ．Ｍｅｃｈ． Ｐｈｙｓ．Ｓｏｌｉｄｓ，２００４，５２：１１５１～１１７３