一维纳米结构力学性能尺寸效应的实验及理论研究

论文摘要

随着纳米技术的迅速发展,纳米结构力学性能的实验测量和建模引起了广泛的关注。本文针对一维纳米结构的弹性模量,尤其是尺寸效应相关的问题进行了实验和理论建模研究。本文对纳米结构的研究主要集中在中等尺寸聚合物纳米纤维,直径100～1200纳米和超细金属纳米杆,直径小于10纳米.直径大于1200纳米的“宏观”纤维中,没有显示出明显的尺寸效应。实验部分,本文采用静电纺丝技术制备了不同直径的PCL纳米纤维,并对单根PCL纳米纤维进行了轴向拉伸、静态弯曲和动态弯曲三种类型的实验。实验中发现纳米纤维的横截面积是椭圆形,影响了分析结果的精度。本文分别利用AFM和SEM的测量数据,引入垂直直径和水平直径,对结果进行了修正。为研究纳米纤维的尺寸效应,对直径变化范围在100～1200纳米的纳米纤维的力学性能进行了实验研究。实验研究结果显示,在纳米纤维弯曲实验中,纤维弹性模量随纳米纤维直径的变化呈现相反的变化趋势,即直径越小,弹性模量越大,但对纤维拉伸实验的统计结果没有显示出尺寸效应。为了分析纳米纤维的尺寸效应,本文对应变梯度理论进行了部分的改进,发展了应变梯度弹性理论的动力学模型。该模型能描述纳米纤维弯曲时出现尺寸效应,而拉伸时无尺寸效应的情况,并且模型与实验数据符合良好。本文发展的应变梯度理论模型还预测了纳米纤维固有频率的尺寸效应变化趋势。为了进一步分析超细纳米杆的尺寸效应,本文发展了晶格理论的原子模型。晶格模型适应于解释超细纳米杆在拉伸情况下的微小的尺寸效应,这一结论好像与中等尺寸纳米纤维在拉伸加载情况下不显示尺寸效应的结论相矛盾,本文对于这一矛盾的解释是:超细尺度下的一维纳米结构,厚度仅有几层原子,结构变形时,表面能量的影响起主导作用。本文利用其它的原子模型即分子动力学模型对提出的晶格尺寸效应理论模型进行了检验,两种模型得到一致的结论。因此,我们认为一维纳米结构的拉伸也包含尺寸效应,但与中等尺寸纳米纤维弯曲时的尺寸效应相比,拉伸尺寸效应在更细的尺度,即一维超细纳米结构上表现出来。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米科学技术
• 1.1.1 纳米科技的提出和发展
• 1.1.2 纳米科技的主要研究领域
• 1.2 一维纳米材料的制备和收集
• 1.2.1 静电纺丝技术回顾
• 1.2.2 静电纺丝纤维的收集
• 1.2.3 其它制备方法
• 1.2.4 纳米材料的基本特性
• 1.3 纳米材料力学性能的研究现状
• 1.3.1 纳米力学的发展
• 1.3.2 纳米力学的研究手段
• 1.3.3 力学性能尺寸效应的实验发现
• 1.3.4 力学性能尺寸效应的建模方法
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 纳米纤维的力学性能实验
• 2.1 纳米纤维的制备和收集
• 2.1.1 实验样品的制备
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 实验参数
• 2.1.4 收集方法
• 2.2 纳米纤维的直径修正
• 2.2.1 SEM和AFM图像分析
• 2.2.2 实验结果分析
• 2.3 纳米纤维的力学性能
• 2.3.1 轴向拉伸实验
• 2.3.2 三点弯曲实验
• 2.3.3 AFM基础的动态弯曲实验
• 2.3.4 压电片基础的动态弯曲实验
• 2.3.5 实验结果分析
• 2.4 本章小节
• 第三章 中等尺寸纳米杆的力学性能建模
• 3.1 SG弹性理论下梁的振动方程
• 3.2 SG弹性理论下梁的力学性能
• 3.2.1 固有频率的变化
• 3.2.2 弹性模量的变化
• 3.2.3 等效尺度参数
• 3.3 材料的尺度参数
• 3.3.1 PCL纳米纤维的尺度参数
• 3.3.2 PPy纳米管的尺度参数
• 3.4 本章小节
• 第四章 超细纳米杆的力学性能建模
• 4.1 本文的晶格力学模型介绍
• 4.1.1 立方晶胞的变形能
• 4.1.2 立方晶胞的弹性模量
• 4.2 表面弛豫的晶格力学模型
• 4.2.1 表面弛豫的晶胞类型
• 4.2.2 表面弛豫的等效弹性模量
• 4.3 晶格力学模型参数的确定
• 4.3.1 体内晶胞弹簧刚度系数
• 4.3.2 各项异性弹性模量比较
• 4.3.3 表面晶胞弹簧刚度系数
• 4.3.4 体内和表面晶胞的拉伸弹性模量
• 4.4. α-Fe纳米杆的等效弹性模量
• 4.4.1 表面单层弛豫
• 4.4.2 表面多层弛豫
• 4.5 α-Fe纳米杆的 MD模拟
• 4.5.1 计算方法和模型
• 4.5.2 计算结果
• 4.5.3 MD数值模拟与晶格力学模型比较
• 4.6 本章小节
• 第五章 结论与创新
• 5.1 结论
• 5.2 创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目