纳米夹杂材料应力场和有效弹性性质

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纳米材料尤其纳米复合材料具有多方面的优异性能,在很多领域获得了广泛应用。界面效应对纳米材料力学性能影响显著,近年来一直受到学者们的关注。界面模型和界面相模型是研究纳米夹杂问题的两种模型,广泛用于含纳米夹杂材料应力场和纳米复合材料宏观有效性能的研究。在界面模型中,界面相简化为无厚度但有自身力学性质和本构关系的界面,而实际的界面相均具有一定厚度。界面模型和界面相模型之间的关联及两个模型结果的差异是值得关注的问题。本文利用复变函数方法并结合Gurtin-Murdoch界面理论和细观力学广义自洽法,同时应用界面模型和界面相模型研究了含圆柱形纳米(涂层)夹杂材料的平面和反平面问题,给出了应力场和有效弹性性能的解答(封闭解析解或数值解)。利用这些解答,主要讨论了以下三个问题:(1)界面模型和界面相模型之间的联系;(2)界面模型和界面相模型计算结果的差异;(3)应力场和有效弹性性能的界面效应。研究表明,界面相模型可以解析和(或)数值地退化为界面模型;对于夹杂尺寸,界面模型和界面相模型的计算结果存在显著差异;界面性质(界面模量大小及正负)对应力场和有效弹性性能有着显著的影响。本文研究结果可为纳米夹杂材料的性能分析及纳米复合材料的结构设计提供有价值的参考。
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