微纳尺度介质和结构的力电耦合特征及应用

微纳尺度下的介质和结构具有明显的尺度效应、界面效应甚或量子效应。本项目旨在基于改进的连续介质力学理论体系，并借助量子力学、分子动力学方法，建立力、电多场耦合作用下的微纳尺度介质和结构器件变形的理论模型，探讨微纳尺度下的介质和结构器件在力电耦合作用下的力学性质与物理机理，以期推动对力电多场作用下的微纳尺度介质和结构器件的变形机理有一个全面的了解，并为考虑了微纳尺度效应的连续介质力学的发展做出微薄的贡献。

本项目旨在研究多物理场作用下碳纳米管的力学行为，探讨在力电热耦合作用下的力学性质与物理机理，以期对力电热等多场作用下的微纳尺度介质和结构器件的变形机理有一个全面的了解，为微纳米材料和结构，特别是器件设计提供原理性支持。.一）力电作用下的碳纳米管的力学性质采用拓展的连续介质力学（考虑了量子效应），分子动力学相结合的方法研究了带电单壁碳纳米管的静力学与动力学行为：.A 提出了关于金属型碳纳米管在电场中变形的柱壳理论。获得了碳纳米管在电场中的变形解析解。结果表明：碳纳米管的长径比对碳纳米管在电场中的变形有重大影响；碳纳米管的径向变形沿轴向是不均匀的；即使外加电场不够大，对于长径比很大的碳纳米管仍然可以表现出明显的变形。.B 基于密泛函理论与分子动力学相结合的方法研究了带电单壁碳纳米管在轴向加载下的力学行为。结果表明，在外部电荷的作用下，单壁碳纳米管变得更稳定。相比于不带电碳纳米管，在相同的轴向加载下，带电碳纳米管不容易被压缩，同时碳纳米管更不容易屈曲；外电荷的注入会提高碳纳米管的杨氏模量。.二）力热作用下的碳纳米管的力学性质.采用非局部连续介质力学理论研究了多壁碳纳米管在扭转和热载荷作用下的扭转屈曲问题以及随着温度变化的尺度效应，研究了非局部效应依临界剪切应力和温度变化的影响. .三）碳纳米管力学性质的边界效应与手性依赖性.A 利用分子动力学方法, 我们发现：在边界固定条件下, 对非对称手性单壁碳纳米管壁上会出现螺线条纹, 同时发生扭转屈曲, 与简支边界条件相比，临界屈曲应变大幅降低。.B 实验表明所测碳纳米管的固有频率远低于理论值，以此为基础的力学性质分析，如模量等，非常的不精准，我们对此进行了理论分析和数值计算，找出了其中的原因所在，尤其分析了边界效应以及尺度所产生的影响。.四）多物理场作用下的碳纳米管的力学性质与可能的应用.A 采用分子动力学方法, 我们发现：双壁碳纳米管弯曲外管端部, 内管或分子球可能以几百米每秒的速度弹出, 动能的大小依赖内管的长度，外管提供碳管外射的动能，内管外射只有外管屈曲而内管没有屈曲时发生. 特别的，碳纳米管的弯曲可通过施加外电场实现。.B 分析了共轴碳纳米管在温度梯度作用下碳管变形的机理和边界效应。.C 利用分子动力学方法和连续介质力学理论，研究了内置原子尺度的分子（团）的碳纳米管的变形机理等

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