纳米材料及结构的力学新原理及精细表征技术研究
国家重大科学研究计划项目“纳米材料及结构的力学新原理及精细表征技术研究”以国家对先进材料的重大需求为背景，面向“纳米研究”的学科前沿和应用需求，针对纳米材料及纳米结构在力学性能科学表征和在科技领域应用存在的瓶颈问题，建立有效的力学性能的新的表征理论，提出普适的力学性能的代表性新参量，发展高效高精度以及高分辨的测量原理、测量方法和测量技术，为最终建立纳米材料及结构的力学性能的标准和规范建立基础。
项目由中国科学院力学研究所负责，其他参加单位有天津大学、北京科技大学、国家纳米科学中心、中国科学技术大学。
瞄准上述目标，该项目开展的系统性研究工作和取得的创造性研究成果如下：基于热力学框架建立连续介质跨尺度力学理论（“自上而下”方法），基于原子作用势建立统计准连续方法（“自下而上”方法）、基于高分辨透射电镜实时在位观测统计的方法（“自下而上”方法）以及将“自上而下”与“自下而上”关联的方法开展研究，提出有效的力学参量；围绕建立的连续介质跨尺度力学理论中的材料力学参量，研究材料参量的普适性和可测性，提出测量原理；根据建立的测量原理，结合先进实验仪器设备，分别研究和提出高精度和高分辨率的测量方法和技术。
取得的代表性创新成果
建立了同时考虑应变梯度效应和表/界面效应的连续介质跨尺度力学理论；通过将跨尺度力学原理与统计准连续方法和微结构演化测量进行关联，建立了纳米材料及结构的力学性能参量与微观结构物理信息的关联，并系统地获得了典型材料体系的力学参量值。
针对几种典型的低维纳米材料及结构的力学问题进行求解，获取了基于力学新理论和新参量的普适解，依此建立了纳米材料及结构力学行为的实验表征方法和测量原理。
基于同时考虑应变梯度效应和表/界面效应的连续介质跨尺度理论，对纳米材料及结构的力学性能进行了高效高精度测量，发展了测量方法和技术。
围绕上述新理论和新原理，对纳米材料及结构的力学性能及微结构演化进行了高分辨率观测，发展了高分辨实验与观测技术。
项目的主要研究成果
在建立纳米材料及结构力学新理论和新原理方面――在表征纳米材料及结构的力学行为时，传统力学理论已无能为力，需要建立新的力学理论，并为之提供普适的可测量的力学参量。为此，我们提出了同时考虑应变梯度效应和表界面效应的连续介质跨尺度理论。在计及应变梯度效应和表/界面的连续介质跨尺度理论的普适性研究方面、在统计准连续方法的研究方面以及在纳米材料及结构力学行为的实验测量方面均取得重要进展。提出了刻划材料纳米力学行为的普适而可测的材料参量；通过将建立的力学新理论与统计准连续方法及微结构演化实验测量进行关联，建立了材料特征尺度参量和表界面能密度与微观及微结构物理参量的关联，系统地获得了典型材料体系的特征尺度参量和表界面能密度。在统计准连续方法的研究中，建立了高效高精度的计算方法，效率比分子动力学方法提高了一个量级，通过模拟铜的弹性模量的尺度效应，实现了与他人小尺度实验结果的无缝链接。在相关统计准连续的研究中，获得了有限温度及考虑温度效应的纳米结构材料的本构关系，揭示了纳米尺度材料变形行为的物理力学机理；发展了纳米晶材料在有限温度、实际加载应变率下变形行为的准连续模拟方法；精细实验研究揭示出应变梯度效应在梯度纳米材料的强韧机制中所起的核心作用。以上研究进展为建立纳米材料及结构力学行为测量原理奠定了基础。
与此成果相关的“纳米结构金属力学行为尺度效应的微观机理研究”获2013年度国家自然科学奖二等奖。
在建立力学参量测量原理和方法方面——在提出可有效表征纳米材料和结构力学行为的连续介质尺度理论之后，为了实现把该理论应用于纳米材料和结构的力学行为的测量，我们首先需要系统地建立材料参量的测量原理和测量方法。为此，针对实验测量技术较成熟的微桥试验方法，将其进一步创新发展成为纳米微桥试验方法，以此研究和建立针对新理论和新参量的测量原理和方法。利用非局域铁木辛柯梁理论，考虑剪切变形、应变梯度、基体变形以及压头与薄膜的接触变形，建立了包含材料特征尺度和残余应力的梁挠度与外加载荷的半解析表达式，发展了纳米微桥实验的基础理论，提高了纳米微桥实验的精度，以此建立了纳米微桥试验方法。采用该方法，对几种典型纳米材料及结构的力学行为尺度效应进行了有效的表征和测量，特别是在获取非局域解析解及制备纳米微桥样品方法方面取得了突出进展。
在高精度测量研究方面——针对连续介质尺度理论中力学参量的测量原理和方法，发展高精度的测量方法和技术并应用于实际纳米材料和结构力学行为的测量中。将扫描电镜技术、显微拉曼技术与宏观拉伸技术相结合，发展了纳米纤维的跨尺度实验力学分析方法；并利用该方法，以CVD制备的大直径双壁碳纳米管纤维为研究对象，实验测量及分析了跨尺度界面力学行为对纤维宏观强韧度的影响，提出了碳纳米管多级界面的应力传递与破坏机制，给出了该材料多级尺度力学规律及调控其宏观力学性能的可能的措施。
借助高精度实验测量，针对纳米手性材料，建立了考虑表面效应的三维空间形貌模型，定量研究了表面对弹性和超弹性的影响及其尺寸效应，结果表明超弹性可有效地提高纳米螺旋结构的能量储存和释放效率。以攀附植物卷须材料为研究对象，结合实验和理论模型，研究了多级手性结构材料中手性的多尺度传递，讨论了手性传递行为与相关力学性能的表征。
为了实现连续介质尺度理论应用于纳米材料及结构力学行为的高精度测量，发展了碳纳米管平面应变传感与拉曼应变花测量技术。目前,纳微尺度力学测量中缺少有效的传感技术，本研究构建了一个以碳纳米管作为传感介质的平面变形传感理论与测试技术。以随机分布的碳纳米管为应变传感载体，通过建立采样区间内所有碳纳米管的变形与散射行为，对整体光谱的综合影响模型，推导了光谱参量与平面变形各分量的解析关系方程组，并结合偏振拉曼系统特征提出了拉曼应变花技术及若干辅助技术。实验验证，该技术能够实现百纳米至毫米分辨率的平面应变分量及其微区分布规律的精细测量与实验分析。
基于碳纳米管传感技术与拉曼应变花技术的结合,发展了更高分辨率的纳米力学行为测量技术,即将碳纳米管传感技术与近场拉曼技术相结合。
在高分辨率观测技术研究方面——为了实现连续介质尺度理论应用于纳米材料及结构力学行为的高分辨测量，我们借助国家大型光源，针对三维同步辐射光学测量技术，发展实时在位加载观测系统，完成纳米材料及结构的微结构演化和力学行为的高分辨测量。在三维同步辐射光学测量中, 实验条件不允许采集充足数量的投影数据时（投影数小于等于180幅），为了提高重建图像衬度和分辨率，提出了“先迭代，再滤波反投影”重建新方法。首先采用迭代方法进行图像预重建；然后对预重建图像进行投影变换得到系列投影图像，再结合实验投影图像进行滤波反投影重建得到最终的重建图像。此方法可有效提高重建图像质量，并可有效去除运动模糊特征，提高重建精度与分辨率。此项工作得到国内外同行的广泛认可。
项目借鉴传统力学理论指导材料在工程中的广泛应用的成功思路，即从理论指导，到实验原理和方法技术的发展，再到性能标准规范的建立，来建立纳米材料及结构的力学新原理及精细表征技术。研究并建立了适合纳米尺度材料和结构的力学理论（跨尺度力学理论），发展了基于该理论的实验方法和技术，初步实践了对纳米材料及结构应用的指导，为制定测量纳米尺度材料和结构的力学性能的标准和规范奠定了基础。
致谢：感谢国家重大科学研究计划项目“纳米材料及结构的力学新原理及精细表征技术研究”（项目编号：2012CB937500）的支持。
魏悦广：中国科学院力学研究所研究员，北京大学工学院教授，国家973计划项目首席科学家，国家自然科学基金委创新群体首席科学家，国家杰出青年基金获得者，入选国家“百千万人才工程”。
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