【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,微納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和應(yīng)用日益受到關(guān)注。由于尺寸效應(yīng)的影響,微納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和性質(zhì)往往不同于宏觀結(jié)構(gòu)。這使得微納米結(jié)構(gòu)在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景,但也面臨著許多新的挑戰(zhàn)。在本論文中,我們通過引入尺寸效應(yīng),對三種具有重要研究價值的微納米結(jié)構(gòu)——微尺度圓管、納米顆粒及晶體表面層——的力學(xué)行為及性質(zhì)進(jìn)行了理論建模與分析。(1)微尺度圓管中波的傳播問題�；诜蔷植繌椥岳碚�,建立了正交各向異性的微尺度殼的波動模型,并得到了波動的相速度、群速度和頻率的解析表達(dá)式。該微尺度殼波動模型應(yīng)用于蛋白質(zhì)微管中機(jī)械信號傳遞的研究,發(fā)現(xiàn)非局部效應(yīng)會減小蛋白質(zhì)微管中機(jī)械信號傳遞的相速度,且減小的程度隨著圓周向半波數(shù)的增大而增大。對與軸向波長在80nmm以下的信號,受非局部效應(yīng)影響更為顯著,且對非局部參數(shù)的變化比較敏感。微管中的機(jī)械信號還會受到溫度的影響,并在高／低兩個溫度區(qū)中保持一定的穩(wěn)定性。該微尺度殼波動模型應(yīng)用于微尺度圓管中的頻率研究,討論了微尺度圓管中由于波數(shù)限制而導(dǎo)致的高頻波禁止現(xiàn)象；并從理論上預(yù)測了非局部效應(yīng)可能導(dǎo)致某些微尺度圓管中存在彈性波禁帶。這可能是一種新型的禁帶機(jī)理。我們從材料設(shè)計的角度給出了一些思路。(2)納米顆粒的徑向振動問題。利用考慮曲率依賴性的固體表面彈性理論,建立了球?qū)ΨQ問題下的表面彈性模型。在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上,利用該模型獲得考慮表面效應(yīng)的納米顆粒徑向振動問題的解。本論文利用考慮表面效應(yīng)的彈性模型和原子模型分別計算了納米顆粒的徑向振動的基頻,二者符合得很好。頻率控制方程表明,影響納米顆粒徑向振動的表面因素為表面彈性而非嚴(yán)格意義上的固體表面應(yīng)力。對于半徑在2.5nm以下的顆粒,表面效應(yīng)影響顯著且呈現(xiàn)尺度依賴性。而當(dāng)顆粒半徑小于2nm時,表面曲率對顆粒振動的影響則不能忽略。數(shù)值結(jié)果顯示,表面效應(yīng)主要影響納米顆粒徑向振動的基頻,而對三階以上的振動影響不大；但非局部效應(yīng)對納米顆粒高階徑向振動的影響十分顯著,對基頻影響則比較輕微。(3)納米晶體表面層的幾何建模及分層模擬。本論文總結(jié)了目前固體表面力學(xué)對表面層幾何建模的方法并分析了其優(yōu)缺點。利用分子動力學(xué)技術(shù),提出了一種表面原子層識別的方法,并利用該方法對FCC金屬和巖鹽型離子晶體進(jìn)行表面分層模擬,識別出他們各自的表面層厚度,使得表面層的直接幾何建模成為可能。計算結(jié)果還直觀地反映了表面力學(xué)性質(zhì)沿深度方向變化的情況。結(jié)果表明,原子間長程力對更深層的表面原子性質(zhì)有一定的擾動作用,且在離子晶體中表面得更為明顯。盡管這種擾動作用比較小,但是在離子晶體中其作用范圍比以往人們經(jīng)驗中認(rèn)識的表面層的尺寸大得多。根據(jù)本論文的結(jié)果,我們建議使用Gurtin-Murdoch表面彈性理論的研究對象的特征尺度不小于5nm。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

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本文編號：2363881