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具有界面效应的复合材料等效性能研究
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    TB301
  • 关键词:
  • 成果简介:
    该项目属于力学领域的核心基础问题。复合材料在当今工业中得到了广泛的应用,甚至成为航空工业中结构先进性的重要标志。界面是决定复合材料性能的关键因素,也是复合材料设计和力学研究中永恒的主题。该项目系统地研究了各种界面条件对复合材料等效力学性能的影响,做出了一些原创性贡献,获得了创新性成果: 1.具有各种界面条件的夹杂问题解。系统地给出了具有各种数学界面(滑动界面、类位错界面、线弹簧界面、界面应力)球形夹杂的应力集中张量,发现内场应力集中张量具有非均匀性和尺寸相关性;得到了无限大体中具存非均匀界面相的球形夹杂的Eshelby张量及应力集中张量,以及自由和固定两种边界条件下有限球域中球形夹杂的Eshelby张量;建立了界面相模型和数学界面模型之间的关联关系及界面参数与界面相模量及厚度之间的等效关系。 2.具有各种界面效应的细观力学方法。建立了具有界面应力效应的细观力学一般框架,预测了具有界面应力效应的含有球形夹杂和圆柱形夹杂的非均质材料和纳米介孔材料的等效模量;建立了统一的细观力学理论框架预测计及界面相、线弹簧界面、界面应力效应的含球形粒子和圆柱纤维的多相非均质材料的等效弹性模量。对于线弹簧界面模型和界面应力模型,得到了等效弹性模量遵从的两类标度律。 3.复杂形貌固体表面的等效表面应力理论及应用。建立了吸附表面和复杂表面的表面应力理论。从表面应力产生的物理机制出发,建立了分子特性和分子间的相互作用(微观尺度的量)与吸附产生的表面应力(连续介质参量)之间的关系。然后,把此现论应用到基于吸附机制的微悬臂梁传感器上,分析吸附产生的表面应力对微悬臂梁静态和动态特性的影响。基于复杂表面的等效表面应力理论,提出了构建具有微纳米尺度粗糙表面微悬臂梁传感器的概念,并分析了微悬臂梁传感器的静态和动态特性。 该项目获教育部自然科学奖一等奖(2016年),研究工作被国内外学名实质性引用、应用、并给予高度评价,包括,中国科学院院士、美国工程院院士、俄罗斯科学院院士等。8篇代表性论文SCI他引593次,发表在固体力学一流期刊J.Mech.Phys.Solids的论文单篇SCI他引314次。该成果在国际范围内实质性地推进了计及表面和界面效应的力学理论的发展,推进了复合材料细观力学的进步。基于该成果,北京大学于2010年成功申请并举办了由国际理论与应用力学联盟(IUTAM)批准的专题研讨会“纳米材料和非均质材料力学中的表面效应”。在国内外学术会议、大学及研究机构做大会报告、主旨报告和邀请学术报告七十多次。主要完成人段慧玲获中国青年科技奖(2015)、中国青年女科学家奖(2014)、长江学者特聘教授(2014)、国家杰出青年基金(2012)、美国机械工程师学会(ASME) The Sia Nemat-Nasser Early Career Award(2009)、ASME The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award(2016)、科技部中青年科技创新领军人才(2015)、中国力学学会青年科技奖(2011)、北京市茅以升青年科技奖(2009)等多项奖励。
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