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JMPS | 吴恒安教授团队在非共价界面微结构材料的多尺度力学研究中取得新进展​

( 2021-10-09 )

近日,中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室吴恒安教授团队对非共价界面相互作用类型、空间分布、堆叠构型等参量进行了一般归纳,并通过界面本构关系明晰了非共价界面的共性特征;在此基础上,扩展了经典剪滞模型和Frenkel-Kontorova模型,建立了非共价界面多尺度力学模型,以描述多种非共价界面层状纳米复合材料非线性变形行为;给出了界面变形模式、关键特征尺寸、材料力学性能之间的内在关联,揭示了非共价界面层状纳米复合材料的一般性强韧化机制。相关研究论文以“A universal mechanical framework for noncovalent interface in laminated nanocomposites”为题在线发表在固体力学顶级期刊J. Mech. Phys. Solids上。

非共价键是一类能够动态断裂和恢复的相互作用的统称,包括范德华作用、π-π作用、牺牲离子键、氢键,广泛存在于多糖、蛋白质等生物材料,以及二维材料、芳纶纤维等合成材料。生物结构材料,如珍珠母、蜘蛛丝、木材等,由多糖、蛋白质和少数矿物质等纳米功能单元构建而成,能够基于少数物质通过多层级的结构和界面设计发挥纳米功能单元卓越的物理、化学和力学性质以实现宏观材料的多功能和高力学性能,从而启发了高性能仿生纳米复合材料的设计。因此揭示非共价界面的分子机制如何传递到宏观材料的力学响应十分重要。同时,非共价界面存在不同的纳尺度堆叠构型(公度和非公度),并允许大的非弹性滑移,能够有效调控纳米复合材料的增韧机制,平衡刚度、强度和韧性,而传统的理论模型不能描述界面的堆叠构型和非线性变形,以及由此产生的多尺度力学行为,亟需发展新的理论框架描述非共价界面的多尺度力学,并为相应纳米复合材料的力学设计奠定理论基础。

1. 非共价界面层状纳米复合材料的多尺度力学框架。

2. 非共价界面的变形模式相图以及不同非共价界面层状材料的界面设计图景。

 

从分子尺度到宏观尺度,自下而上地对非共价界面的多尺度力学展开了系统性研究。(1)针对非共价界面层状纳米复合材料中的非线性变形行为和尺寸效应,发展了一般性力学框架来量化非共价界面的共性特征。通过凝练从各种原子间相互作用和层间官能团分布扩展了经典剪滞模型的界面本构关系,提出了自下而上的砖块-界面系统多尺度分析框架,以揭示砖块变形和界面内在特征之间的相互作用。(2)由于界面本构关系的周期性,在不同重叠长度下规则界面存在三种变形模式,即均匀、局部化和扭结变形,并由此定义了两个临界过渡长度参数,以描述非共价界面中变形模式的转换。其中,界面扭结变形表现出多个拓扑缺陷在界面上成核和传播,从而同时增强和增韧层状纳米复合材料。(3)针对不同的界面堆叠构型开展了离散剪滞分析,阐明了相称界面的变形行为与规则界面相似,而线性滑移模型可以很好地描述不相称界面和随机界面的变形。有趣的是,由于粗糙界面的抗滑阻力,当重叠长度足够长时随机界面的载荷传递能力会超过规则界面,这表明存在最优界面设计从而在不同长度尺度下实现最佳的材料拉伸强度。(4)使用一些通用特性参数,提出了层状纳米复合材料的变形模式相图,以给出具有各种非共价界面的不同层次材料的设计图景,并为砖块-界面型复合材料的力学设计和优化提供了指导。

中国科大近代力学系何泽洲博士为论文第一作者,吴恒安教授和朱银波博士为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的资助。

论文链接:

      https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509621002143

 



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