文档介绍：细微观力学研究的若干问题与力学的发展
余寿文
清华大学
国家自然科学基金会资助项目
2003-11-14
研究背景**
*新材料、复合材料、功能材料与结构材料的力学行为
*信息材料与器件、MEMS,NEMS的兴起
*材料细观损伤对力学过程与破坏行为的影响
*微小尺度器件的失效分析
*纳米材料与纳米技术
*仿生材料与生物材料细观力学行为
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**合作者: 冯西桥陈作荣秦庆华王刚峰
李群仰王旭跃
微马达--1987
MEMS元件的串并联
LIKA—微齿轮
研究背景
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)的迅速发展,人们关注的尺度随着微机械工程的出现、及微摩擦学、纳米摩擦学的研究的开展,逐渐从宏观尺度深入到细-微观以及纳观尺度。与体积(m3)相关的量:如质量、惯性、体力等相比,面积(m2)相关的量:如表面(或界面)力、表面(或界面)能、摩擦力等的影响,随特征尺度的减小而逐渐变得重要而不可忽略,有时甚至起主导作用。这时产生许多经典Hertz接触理论无法解释的现象:如接触过程的突跳(jump into and jump out off)、零外载荷下的吸附、接触面(仅在表面力作用下)的塑性屈服,以及湿度相关的接触行为等。这就要求人们从以往的以连续介质力学为基础的研究视野深入的细-微观以至纳观尺度,考虑接触面的表面能、表面力及粘着效应等细微观机制,建立微尺度粘着接触理论。
在微接触系统中粘着力通常涉及以下几方面:
粘着力对微接触及微摩擦的研究及应用突出表现在以下几方面:
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM) Binnig G et al. Physical Review Letters, 1986, 56(9):930-933
广泛地用于研究微-纳米尺度下的粘着、接触、摩擦、磨损、毛细力、静电力、表面张力及分子间相互作用力等。而利用原子力显微镜进行的纳米压痕实验则是研究材料在纳米尺度的弹性、硬度及断裂等力学行为的有效手段。
超高密度磁存储技术
存储面密度的不断提高,使磁头-磁盘系统(Head-Disk System, HDS)中出现许多涉及微、纳米尺度的新问题。其中一个重要的磁头-磁盘界面(Head-Disk Interface, HDI)问题是磁头-磁盘间距在高(或超高)存储面密度情况下,将减小到原子直径量级的尺度。这时表面粘着效应、液桥力等细微观机制明显影响磁头-磁盘间的相互作用,从而影响硬盘驱动器(Hard-Disk Driver, HDD)的读/写效率和使用寿命。
3. “软”材料( “Soft” materials )
生物软组织、活体细胞、人造橡胶及聚合物凝胶体等许多重要的“软”材料,由于其刚度很小,表面能与弹性模量之比相对较大,因此,粘着力对软材料的接触行为有重要的影响,而原子力显微镜的应用又使得由于尺度效应引起的粘着效应更加显著。
I----讨论的提纲
1-a 考虑粘着的微接触力学与薄膜失稳
1-b 考虑表面力、毛细力作用下的粘着接触力学
2-a 考虑细观微裂纹损伤过程的本构关系
2-b 考虑应变梯度的塑性理论应用于界面力学引起的分析
3-a 压电材料的损伤与动态响应
3-b 形状记忆合金的伪弹性的非惯平面变形模型
4 从细微观力学看力学的发展
粘着接触理论
Derjaguin B V, Muller V M, Toporov Y J P. Journal of Coll. and Interface Science, 1975, 53(2): 163-179
粘着力不改变粘着区的变形;
接触行为仍由Hertz接触理论决定:
修正的断裂过程区模型
跨尺度联接方法的应用:
薄膜-基底界面断裂