考虑表面效应微纳米尺度板的断裂研究

Effective mechanical properties of micro/nanoscale materials and structures (MNMSs) are affected by surface effects, and mechanism analysis of failure of such MNMSs plays a significant role in the structures' integrity and reliability. This proposed project aims at 1) studying fracture of uniform micro/nanoscale plates, 2) interface fracture of micro/nanoscale coating/substrate and 3) crack growth in a multi-layered micro/nanoscale plate. The project is to formulate a theoretical model of fracture mechanics of micro/nanoscale plates with consideration of surface/interface energy and analyze the failure analysis of micro/nanoscale plates subjected to tensile/compressive and shear forces, bending moment and torque. The influences of residual surface tension, cohesive force and van der Waals force on crack growth are investigated. Through the singularity index and intensity factors near the crack tip, the project attempts to elucidate the relation between fracture parameters and surface property, van der Waals force and cohesive force and shed light on fracture mechanism of micro/nanoscale elastic plates. The project is helpful to safety design and integrity analysis of MNMSs in engineering, and founds a theoretical basis of the reliability of micro/nanoscale electromechanical system.

微纳米尺度下材料和结构的有效力学性能受表面效应影响，其失效机理分析对于理解此类结构的可靠性和结构完整性具有重要意义。本项目拟对微纳米尺度板结构的断裂问题开展研究，主要研究1）均匀材料微纳米尺度弹性板中的裂纹问题，2）微纳米尺度下涂层/基底的界面断裂问题和3）多层微纳米尺度弹性板的裂纹扩展问题。本项目旨在建立体现表面/界面能的微纳米尺度弹性板断裂力学理论模型，分析含裂纹微纳米尺度板在拉压、剪切、弯曲和扭转等加载下的失效行为，研究残余表面张力、内聚力和范德华力等对裂纹扩展的影响。通过裂尖奇异性指标及强度因子，阐明断裂参数与表面特性、范德华力和内聚力等之间的关联,诠释微纳米尺度下弹性板的断裂机理。该项目对微纳米尺度下的结构完整性及安全设计有一定的指导意义，并为微纳机电系统的结构可靠性分析奠定理论基础。

微纳米尺度下材料和结构与宏观材料和结构在力学性能方面有着明显的不同，其有效力学性能呈现尺度效应和表面效应。本项目对微纳米尺度材料和结构的力学行为开展了理论研究，主要通过经典弹性理论和表面弹性理论的结合，针对微纳米尺度下的材料和结构，建立了考虑表面效应的弹性材料和梁板结构静动态行为分析的理论模型，研究了考虑表面效应的弹性板中含有拉伸裂纹、反平面剪切裂纹及刚性夹杂的尖端弹性场奇异性行为，及微纳米尺度下的梁板振动和稳定性问题。研究内容主要包括1）无限大和有限厚度下（非）均匀材料微纳米尺度弹性板中的多种构型裂纹和夹杂问题导致的弹性场分析，2）表面效应对微纳米尺度下涂层/基底的界面分层问题的影响，3）在保守和非保守力条件下微尺度参数和表面效应对微纳米梁板结构的振动和动态稳定等特性的影响。研究发现表面张力、表面弹性、非局部参数等对宏观断裂参数、固有频率、颤振临界荷载等有明显的影响，正表面弹性模量有增韧效应，材料的有效断裂韧性得到增强，微纳米尺度裂纹难以扩展，同时，材料的微尺度参数影响微纳米梁板的固有频率及颤振临界荷载。获得的结果建立了表面效应和材料的微尺度参数与宏观力学性能之间的关联，加深了对微纳米材料和结构断裂失效及动态特性的理解和认识，初步诠释了微纳米尺度下弹性材料和结构的断裂机理，推动了传统断裂力学和微纳米力学的发展，该项目并对微纳米尺度下的结构完整性及器件的优化设计有一定的指导意义，并为微纳机电系统的结构可靠性分析奠定理论基础。