从传统力学到纳米力学：探讨力学的新前沿

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：从研究手段角度，纳米力学分为理论纳米力学、实验纳米力学和计算纳米力学。从具有纳米尺度的特殊构型看，纳米力学可包含纳米晶体力学、纳米薄膜力学和纳米管力学等内容。纳米压痕仪和纳米划痕仪统称为纳米力学测试系统，可集成在一台仪器上，该仪器亦可简单地称为纳米压痕仪。纳米压痕仪是比较普通的纳米力学测量设备，主要用来测量纳米材料的硬度、弹性模量等力学性能。

传统材料经过多年的研究，已经形成了比较完善的力学性能机理和测试手段，并建立了诸如位错理论、形变和断裂理论等一系列的理论，能够较好地描述相关的实验现象。总体而言，传统力学主要研究材料的弹性、塑性、强度及寿命等问题。弹性是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力；塑性是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力；强度是材料对变形和断裂的抗力；而寿命是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。相对应地，测量力学性能的手段主要包括拉伸试验、扭转试验、弯曲试验（包括抗弯试验和冷弯试验）、测量硬度的压入法和刻划法、冲击试验、冲击弯曲试验等等。

与经典力学相对应，纳米力学（nanomechanics）是研究特征尺寸在纳米尺度下的材料的结构力学特征及其变形和运动过程的科学，它是纳米科技的重要组成部分，涉及所有在纳米尺度上与力学有关的问题。从研究手段角度，纳米力学分为理论纳米力学、实验纳米力学和计算纳米力学。理论纳米力学是从理论上分析纳米尺度的力学问题，建立纳米尺度的力学理论框架，并结合量子力学理论和连续介质力学理论，建立耦合宏—微—纳观尺度的力学理论。计算纳米力学包括不同类型的数值模拟方法，如基于量子力学的计算方法、大规模分子动力学计算和跨层次计算。实验纳米力学主要从实验的角度研究纳米材料的力学行为，其有两层含义：一是对特征尺寸为1～100 nm之间的微细结构进行的力学实验研究；二是以纳米层次的分辨率来测量力学场。从具有纳米尺度的特殊构型看，纳米力学可包含纳米晶体力学、纳米薄膜力学和纳米管力学等内容。纳米晶体力学的研究对象为以纳米材料构成的微观或宏观材料；纳米薄膜力学的研究对象为二维纳米材料，包括单层膜和多层膜；纳米管力学的研究对象为一维纳米材料，包括纳米管、纳米线、纳米带和纳米棒等。

在纳米力学的实验研究中，需要解决三个基本的问题：①要“抓得住”，由于纳米材料的尺度很小，如何实现对它们的固定是首先需要解决的问题；②要能够“打得着”，即如何在已固定纳米材料的基础上，实现对它们的拉伸、弯曲等；③能“看得见”，甚至还要在原子尺度上看得见。在纳米材料研究的早期，人们在很长一段时间内处于对纳米材料只能看不能操作的“尴尬”局面，只能将纳米材料制成宏观可操作的块体进行力学性能的测试，即研究主要集中在大块纳米晶体材料的力学性能研究，并得到了广泛的认可。尽管他们发现一些新的力学性能是由样品中的高孔隙率造成的，但随着制造技术的发展，获取高密度、小尺寸的样品成为可能，力学性能的测量也更接近真实值。纳米晶体材料力学性能的测量仪器可沿用传统的力学测量仪器，如拉力机等，在本章中不再讲述。

纳米力学测试方式可分为破坏性试验和非破坏性试验两大类。破坏性试验包括纳米压痕技术（nanoindentation）、纳米刻划技术（nanoscratching）和纳米疲劳（nanowearing）；非破坏性试验为动态试验（dynamic testing）主要是通过测定样品的振动频率来计算相关的力学参数。

随着纳米科学与技术的发展，人们逐渐设计发明了一些巧妙的方法或技术，在实验上能够很好地实现对纳米材料尤其是一维纳米材料力学性能及行为的检测，目前主要包括以下几种：

（1）以原子力显微镜或扫描隧道显微镜为基本手段的测试方法。由于扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针既可以用来成像，也可以用来实施对单体纳米材料的操纵以及力学、电学、磁学等性能测试，成为目前人们研究单体纳米材料力学性能的主要方法之一。

（2）纳米压痕仪和纳米划痕仪。纳米压痕仪和纳米划痕仪统称为纳米力学测试系统，可集成在一台仪器上，该仪器亦可简单地称为纳米压痕仪。纳米压痕仪是比较普通的纳米力学测量设备，主要用来测量纳米材料的硬度、弹性模量等力学性能。

（3）透射或扫描电子显微镜中的机械共振法。这种方法是将纳米线一段固定，放在扫描电子显微镜或透射电子显微镜中，通过外加高频交变电场激励或热激励，诱导纳米线发生共振，利用共振频率的变化测量纳米线／管等的弯曲模量。

（4）显微镜与纳米压痕仪技术相结合。这种方法是将纳米压痕仪的压头或压针放入透射电子显微镜、扫描电子显微镜或原子力显微镜中，实施原位压缩或拉伸单根纳米线或纳米管变形，获得纳米线或纳米管力学性能以及直接观察纳米线在外力作用下的形状和结构变化等。

（5）扫描或透射电子显微镜与微机械系统相结合的技术。利用微加工技术制作尺寸在微米量级的MEMS系统作为操纵和测量纳米线力学性能的工具，由于该系统结构微小，可以放入扫描电子显微镜和透射电子显微镜中进行原位测量，通过设计和控制微电机系统的结构和运动方式可以实现对纳米线的单轴拉伸变形，该系统可以同时实现载荷和位移的测量。

从传统力学到纳米力学：探讨力学的新前沿

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