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纳米力学的兴起

机械强度 2005年第4期27卷 403-407页

作者：黄克智吴坚黄永刚清华大学工程力学系破坏力学教育部重点实验室北京100084 清华大学

纳米力学是研究纳米尺度材料、器件与结构的力学。近年它随着纳米技术的需要而兴起并发展。文中介绍作者所参与发展的基于原子势的连续介质方法,并用于分析碳纳米管的若干力学问题。结果与分子动力学的结果进行比较。

关键词：纳米力学碳纳米管连续介质方法分子动力学纳米尺度纳米技术力学问题原子势

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死区非线性系统物理参数的两步辨识法

清华大学学报（自然科学版） 2007年第11期47卷 2048-2051页

作者：曹学奇陆秋海清华大学工程力学系破坏力学教育部重点实验室北京100084

针对含非对称死区环节的非线性系统提出了一种基于Legendre多项式最佳平方逼近的两步辨识法。辨识时首先将非对称死区非线性恢复力用Legendre多项式近似,并用直接参数估计法辨识得到系统质量、阻尼等参数以及Legendre多项式系数;然后根... 详细信息

针对含非对称死区环节的非线性系统提出了一种基于Legendre多项式最佳平方逼近的两步辨识法。辨识时首先将非对称死区非线性恢复力用Legendre多项式近似,并用直接参数估计法辨识得到系统质量、阻尼等参数以及Legendre多项式系数;然后根据Legendre多项式最佳平方逼近系数与死区参数之间的关系估计出死区参数。仿真算例表明:在只测得带观测噪声的加速度和激励力数据的情况下,该方法仍能较好地辨识出死区宽度和斜率参数。

关键词：死区非线性系统辨识直接参数估计法 Legendre多项式

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微纳尺度体点导热的拓扑优化

物理学报 2019年第20期68卷 12-22页

作者：李含灵曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室

体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一,已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上,但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级,导热优化需要考虑非傅里叶效应.本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插... 详细信息

体点导热问题是电子器件散热优化方面的基础问题之一,已有研究大多建立在傅里叶导热定律的基础上,但随着电子器件的特征尺度降低到微纳米量级,导热优化需要考虑非傅里叶效应.本文结合声子玻尔兹曼方程的数值解和对声子平均自由程进行插值的固体各向同性材料惩罚方法,发展了微纳米尺度下弹道-扩散导热的拓扑优化方法.在弹道-扩散导热机制下,体点导热的拓扑优化得到的材料分布明显不同于扩散导热下的树状分布,且会随努森数的变化而变化,与拓扑优化的插值方式和声子弹道输运有关.随着弹道效应的增强,尺寸效应使得材料分布中微小结构的等效热导率低于粗壮结构,因而拓扑优化结果朝着增多粗壮结构、减少微小结构的方向发展.弹道效应足够强时,填充材料聚集在低温边界附近,主干和枝合并,呈团状分布.

关键词：体点导热拓扑优化微纳尺度声子玻尔兹曼输运方程

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碳化硅薄膜的力学性能测试分析

实验力学 2007年第1期22卷 49-56页

作者：马显锋吴艳青牛莉莎施惠基清华大学工程力学系破坏力学教育部重点实验室北京100084

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在（100）硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅（SiC）薄膜，用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品Ⅰ和Ⅱ的弹性模量／硬度分别约为106GPa／9．5GPa和175GPa／15．6GP... 详细信息

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在（100）硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅（SiC）薄膜，用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品Ⅰ和Ⅱ的弹性模量／硬度分别约为106GPa／9．5GPa和175GPa／15．6GPa。纳米划痕技术测试两块SiC薄膜的摩擦系数分别约为0．02～0．15和0．05～0．18，显示出良好的润滑性能；对薄膜的临界附着力等进行测量以评价膜基结合强度，分析了划痕过程中薄膜近表面弹塑性变形和断裂信息。在原子力显微镜下对SiC薄膜样品的初始表面及残余压痕和划痕形貌进行了观察分析，与测试结果相符。综合比较，样品Ⅱ的整体性能优于样品Ⅰ。本文中薄膜的弹性模量和硬度值较低可归因于制膜技术的不同和表层碳含量偏高。

关键词：纳米压痕纳米划痕硬度弹性模量临界附着力

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(火积)的宏观物理意义及其应用

物理学报 2013年第23期62卷 214-220页

作者：赵甜陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

提高传热过程的性能是解决能源问题的重要途径之一.本文通过与力学中相关概念进行对比,分析了传热过程性能优化的新物理量——(火积)的宏观物理意义.通过(火积)与物体对外传热能力、(火积)定义的传热过程效率以及(火积)与热量传递驱动... 详细信息

提高传热过程的性能是解决能源问题的重要途径之一.本文通过与力学中相关概念进行对比,分析了传热过程性能优化的新物理量——(火积)的宏观物理意义.通过(火积)与物体对外传热能力、(火积)定义的传热过程效率以及(火积)与热量传递驱动力的关系三方面分析,发现(火积)具有的宏观物理意义是物体包含的热量在温度场中所具有的势能.并且,通过对流换热的(火积)理论优化介绍了(火积)理论在工程实际中的应用.

关键词： (火积) 宏观物理意义势能对流换热

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多约束纳米结构的声子热导率模型研究

物理学报 2015年第14期64卷 240-245页

作者：华钰超曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要.理论和实验都表明,在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应.基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型,可以描述多个几... 详细信息

纳米技术的快速发展使得对微纳尺度导热机理的深入研究变得至关重要.理论和实验都表明,在纳米尺度下声子热导率将表现出尺寸效应.基于声子玻尔兹曼方程和修正声子平均自由程的方法得到了多约束纳米结构的声子热导率模型,可以描述多个几何约束共同作用下热导率的尺寸效应.不同几何约束对声子输运的限制作用可以分开计算,总体影响则通过马西森定则进行耦合.对于热流方向的约束,采用扩散近似的方法求解声子玻尔兹曼方程;对于侧面边界约束,采用修正平均自由程的方法计算边界散射对热导率的影响.得到的模型能够预测纳米薄膜(法向和面向)及有限长度方形纳米线的热导率随相应特征尺寸的变化.与蒙特卡罗模拟及硅纳米结构热导率实验值的对比验证了模型的正确性.

关键词：纳米结构声子热导率尺寸效应玻尔兹曼方程

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石墨烯的声子热学性质研究

物理学报 2014年第15期63卷 295-301页

作者：叶振强曹炳阳过增元清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

声子是石墨烯导热过程中的主要载体,而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量.本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间,并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献.该方法通过平衡分子动力学模拟实现,首先通过模拟... 详细信息

声子是石墨烯导热过程中的主要载体,而声子的弛豫时间又是其中最基本、最重要的物理量.本文采用简正模式分解法研究了石墨烯声子的弛豫时间,并且借此分析了不同声子在导热过程中的贡献.该方法通过平衡分子动力学模拟实现,首先通过模拟得到单个声子的能量自相关函数衰减曲线,并进一步采用拟合和积分两种方法得到单个声子的弛豫时间.然后,研究了弛豫时间与波矢、频率和温度的关系.结果发现,弛豫时间随波矢的变化与对应的色散关系相近,弛豫时间与频率和温度的关系符合理论模型:1/τ=νnTm,其中声学支的n为1.56,而光学支结果较为发散,指数m对于不同声子支结果略有不同.最后,还研究了不同频率声子对导热的贡献,发现低频声子在态密度上占有绝对优势,并且其弛豫时间整体高于高频声子,所以低频声子对导热的贡献占据主导地位.

关键词：石墨烯声子弛豫时间简正模式分解法分子动力学模拟

硅纳米薄膜中声子弹道扩散导热的蒙特卡罗模拟

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物理学报 2013年第24期62卷 178-186页

作者：华钰超董源曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究.提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数... 详细信息

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究.提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程,并通过统计声子束的分布得到温度分布.稳态导热过程的模拟发现,尺寸效应会引起边界温度跳跃,其值随着Knudsen数的增大而增大;计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大,与文献中的实验数据和理论模型相符.通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化,发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关,材料尺寸越小,弹道输运越强,薄膜中的热波现象也越显著.

关键词：纳米薄膜弹道扩散导热蒙特卡罗模拟尺寸效应

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滴状冷凝中液滴的内外压差及临界半径

物理学报 2002年第12期51卷 2730-2732页

作者：闵敬春清华大学工程力学系传热强化与过程节能教育部重点实验室北京100084

用热力学方法证明了壁面上球冠形液滴的内外压差同样遵循经典的Laplace方程 ,并用力学方法给予了验证 .液滴的内外压差与固液接触角无关 ,只取决于液体的表面张力和液滴半径 ;液滴的临界半径也与接触角无关 ,其值可用经典的Kalvin公式计... 详细信息

用热力学方法证明了壁面上球冠形液滴的内外压差同样遵循经典的Laplace方程 ,并用力学方法给予了验证 .液滴的内外压差与固液接触角无关 ,只取决于液体的表面张力和液滴半径 ;液滴的临界半径也与接触角无关 ,其值可用经典的Kalvin公式计算 .

关键词：滴状冷凝液滴压差临界半径蒸气热力学