陈集团

压痕是一种应用最广泛的测量材料力学性能的技术，尤其适用于小体积材料。在微纳米尺度上，由于样品制备的任务不简单，传统的拉伸试验和弯曲试验变得不太可行。相比之下，通过使用压痕技术，样品制备的难度可能会大大降低。另一方面，压痕试验不是直接的测量，需要先进的力学分析来将材料性能与压痕响应联系起来。

在压痕试验中，将硬尖端压入样品中。尖端可以是尖的，也可以是球形的。尖端被移除后，留下一个印象。硬度定义为压痕载荷除以压痕投影面积。此外，利用仪表式压痕测试仪，可同时连续测量压痕载荷和压痕深度。许多模型被开发用于从记录的压痕载荷-深度曲线中提取材料的性能，包括弹性模量、屈服应力、应变硬化系数、残余应力、断裂韧性等。

本文[1]采用隐式溶剂法实现了离子在跨膜纳米孔中的连续介质静电模拟。为了解决这一问题，利用3D-FFT[2]，表达式了控制方程(含非均质介电常数系统的泊松方程)，并在其倒数空间中计算了电场。系统被认为是周期性的，并在外部定义了一个修正的真空场。矩形单元格被分解成网格点。通过对修正后的真空场进行迭代修正，网格点处的电场残差在实空间中达到最小值。得到预定义阈值后，终止迭代，计算反应电位。定义域中任意一点的势由它周围的8个格点插值。该算法具有良好的精度和收敛性，总体速度可与典型的有限差分求解器相媲美。

碳纳米管由于其独特的力学、电学和化学特性，在纳米机械和纳米电子器件方面得到了广泛的研究，并被认为具有巨大的潜力。所述碳纳米管可应用于:(a)作为具有优异力学性能(如刚度和强度)的轻质结构材料;(b)作为下一代半导体和纳米线的纳米电子元件;(c)作为扫描探针显微镜和原子力显微镜中的探针，具有化学功能化尖端的额外优势;(d)作为高灵敏度的微量天平;(e)作为气体和分子传感器;(f)储氢装置，由于其高表面体积比;(g)作为场发射型显示器;(h)作为有机发光二极管中的电极和(i)作为纳米级操作的微型镊子，仅举几例。

作为博士后陈曦的团队我目前在碳纳米管力学方面的研究主要集中在以下几个方面:a)热振动及其作为应变/质量/种类传感器的应用;B)由压缩、弯曲、扭转和压痕引起的纳米管屈曲;C)碳纳米管在轴向和径向的力学性能，以及有效的连续介质建模;D)纳米管中的流体传导。自2005年以来，我在这些领域发表了14篇期刊论文。稍后我会在博客中详细介绍。

虽然在室温下研究碳纳米管(CNTs)等纳米结构的力学性能更为现实，但有限温度下的原子模拟(如分子动力学，MD)可能会导致以下问题:(1)由于MD中可实现的时间尺度(通常在纳秒尺度)的限制，在任何有限温度下的MD模拟中的加载速率都不现实。通常，MD模拟中使用的加载速率在300K时可能超过10m/s，因此比实验中使用的实际加载速率高许多数量级。(2)模拟的一个很大的优点是能够打开和关闭某些特征，并探索它们的效果，这在实验中是不可能的。例如，碳纳米管的屈曲行为对几何扰动非常敏感，这种扰动在室温下尤为突出，这种扰动会导致严重的不确定性，从而难以探索其固有的屈曲行为。因此，通过去除温度效应，我们可以更好地评估影响本征屈曲行为的其他关键因素，如管的手性、半径和长度，否则这些因素可能被热波动效应所覆盖。(3)由于时间和长度尺度的限制，大系统的MD模拟尚不可能实现，因此必须建立有效的连续介质模型，并通过原子模拟进行校准。目前大多数连续介质模型中仍不存在温度因子。因此，0K或接近0K的原子模拟可以为并行连续介质模型的开发提供有用的基准，重点关注纳米结构最内在和最基本的力学性能。基于上述分析，利用分子力学(MM)方法进行0K的原子模拟仍然是非常有用的，特别是对我们力学工作者来说。万博体育平台

传统的压痕分析采用有限元模拟对多种材料进行压痕响应研究，称为正向分析;然后，从反向分析中，可以从特定试样的压痕响应中提取材料特性。在此过程中，重要的是在正向分析中选择广泛而适当的材料范围。很多时候，当我阅读或审查论文时，我发现一些作者“随机”地选择了大量的材料，而不知道这意味着什么，也不知道它是否实用;在许多情况下，在正向/反向分析中使用的材料在现实中并不存在，或者实际上不适合常规压痕分析。

在压痕分析中，试件的本构弹塑性特性通常用幂律形式表示。需要注意的是，大多数脆性陶瓷或玻璃材料在压痕时发生裂纹，聚合物在压痕实验中发生蠕变，并且聚合物的拉伸和压缩行为往往有很大差异;因此，它们通常不能用幂律形式很好地描述，它们的力学性能也不能从传统的压痕分析中得到。因此，陶瓷和聚合物应排除在目前的分析之外，以及高度各向异性的木材。此外，复合材料、纳米复合材料和其他纳米结构材料以及薄膜也需要从连续介质分析中排除，因为底层的微/纳米结构在其力学响应中起着关键作用。因此，只有更具有延展性和“塑性”的多晶块金属和合金才适合在室温下进行常规压痕分析，因为压痕过程中压痕器下方会产生较大的应变，而且传统的塑性理论是针对金属发展起来的，这是弹塑性有限元分析的基础。压痕深度也必须足够大，以克服应变梯度效应。

迈克·阿什比(Mike Ashby)的著名手册《机械设计中的材料选择》(Materials selection in mechanical design)第425页的选材图可以作为参考。一般来说，大多数适合常规压痕研究的工程金属和合金，杨氏模量约为10 ~ 600GPa，屈服强度约为10MPa ~ 2GPa，屈服应变的逆应变约为100 ~ 5000(一些纯金属的逆屈服应变可能更高，但不应远远超过这个范围)。注意，由于试样在压痕过程中必须承受相对较大的应变而不开裂，因此材料必须具有足够的延展性(即塑性或软性)。

而在正向分析中，有限元模拟所选择的材料范围需要略大于上述边界，以避免边界处可能出现数值病态。然而，反向分析应侧重于更实用的材料，即上述金属和合金的范围。

(原由Yuye唐分子动力学修饰有限元法(MDeFEM)的一个关键步骤是确定大分子组分的有效性质。在这里，我举例说明如何使用从MD计算的NMA来估计力敏通道中环路的弹性特性，这与我的研究有关。