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微尺度断裂与微机电系统
    时间:2010-1-8     点击率:28003

编者按语力学所魏悦广研究员等完成的“固体的微尺度塑性及微尺度断裂研究”项目获得了2008年度国家自然科学二等奖。此项研究属于微尺度力学范畴,为当前力学研究的一个前沿方向,所取得的具有原创性的成果得到国内外同行的广泛承认和高度评价。作为科普短文,我们不想具体阐述其中理论模型和数值方法的细节,只是以微尺度断裂研究为例,向读者介绍微尺度力学的意义和内涵。

我们人类生活在丰富多彩的世界里,人类对客观世界的认识可以划分为两个层次:宏观领域和微观领域。宏观领域是以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限,上至无限大的宇宙天体。微观领域则是以分子原子为最大起点,下限是涉及电子、质子、中子以及各种亚粒子的无限小世界。传统上,力学家主要是在宏观层次上研究物体在力的作用下如何运动和变形的,对于后者则是采用应力和应变的概念来描述。固体力学家有一项重要的任务就是研究材料或结构承受外力而不发生破坏的能力(学术上称之为“强度”)。强度问题是工程设计中最重要的问题之一,房屋倒塌、堤坝溃决、飞机坠毁、容器爆裂、桥梁断折等危及人类生命安全事故的发生大都是强度不够所致。固体力学家通过大量的拉伸实验发现:金属试件在外力载荷逐渐加大的过程中,将经历弹性区(外力去除后形变消失)、塑性区(外力去除后形变不消失)直至断裂。当应力达到“屈服强度”时,即使载荷不再增加,试件仍然 继续伸长。人们一般根据屈服强度确定塑性材料的许用应力。多年来,固体力学已经提供了许多研究成果来满足工程师从事设计制造工作的需要。
20世纪80年代,一种新型的结构系统—微机电系统展现在人们的视野里。1987年,美国加州理工大学伯克利分校(UC Berkeley)研制的硅静电马达(见图1)问世,它的转子直径为120微米,电容间隙只有2微米(1米=103毫米=106微米=109纳米=1010埃)。图2展示的是美国麻省理工大学(M.I.T)研制的一种电磁式旋转发电机, 而该校研究人员研制的微型渦轮發动机的渦轮叶片的直徑只有4毫米(见图3.1),微型燃烧室的长度只有2毫米(见图3.2), 其目标是在硅片上制造仅为1克重的渦轮发电机, 输出功率达到10~20瓦。无须解释, 你们马上就会想到微机电系统在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。微机电技术开辟了一个全新的领域和产业,它们不仅可以降低机电系统的成本,而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如,尖端直径为5微米的微型镊子可以夹起一个红细胞,整个生化检测实验室可以安装在一片芯片上,尺寸3毫米大小的微型汽车能够到处跑动,象蝴蝶大小的微型飞机可以在磁场中飞来飞去……。多么令人激动的情景啊!
 
图1. 美国UC Berkeley 研制的硅静电马达
 
图2. 美国M.I.T.研制的电磁式旋转发电机
 
图3.1 微型涡轮叶片                图3.2 微型内燃发动机

这样, 人们又进入一个新的层次: 介观领域, 它是在宏观领域和微观领域之间一块有待开拓的“处女地”。这个领域包括了从微米、亚微米,纳米甚至到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围, 这里所研究对象的三维尺寸都很细小,出现了许多奇异的物理、化学和力学性能。人们迫切需要发展特征尺度在百纳米到百微米范围的微尺度力学理论,以便建立起适合微型产品和纳米材料的设计准则和质量检测标准,因为传统的宏观连续介质力学对此无能为力。以微尺度断裂问题为例,按照传统理论预测的断裂应力为屈服强度的5倍以下,与实际测量结果相差甚大,成为困惑材料物理学家和固体力学家的科学难题。力学所的科学家通过微尺度断裂研究,发现了材料的可压缩性和质点位移的二阶导数对裂纹尖端应力场有着重要的影响。他们建立了新的理论构架、设计了新的计算方法,从而得出了金属材料的微尺度断裂应力可以达到其宏观屈服强度10倍以上的突破性结论(参见图4),首次在理论上解释了微尺度下金属材料的超高断裂强度的试验结果。

 
图4. 中国学者的微尺度断裂研究结果(虚线为传统的弹塑性理论结果,
实线为魏悦广的塑性应变梯度理论结果)

现在,你是不是大体知道微尺度力学的意义和内涵啦?你是不是大体了解力学家是如何工作的啦?力学工作者是针对人类生活、生产的实际需要,提出描述刻画相关现象的理论模型,通过实验观测、数值计算等途径,给出必要的判据、准则和数据,从而指导工程实践活动,不断推进产业革命。