纳尺度黏附接触力学行为的理论研究

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• 论文作者：贾宁 ; 姚寅 ; 陈少华
• 年：2017
• 作者机构：中国科学院力学研究所非线性国家重点实验室;北京理工大学先进结构技术研究院;
• 论文关键词：黏附接触 ; 范德华力 ; 纳尺度 ; 表面效应
• 会议召开时间：2017-01-14
• 会议录名称：北京力学会第二十三届学术年会会议论文集
• 语种：中文
• 分类号：O343
• 学会代码：BJLH
• 会议名称：北京力学会第二十三届学术年会
• 会议地点：中国北京
• 主办单位：北京力学会
• 学会名称：北京力学会
• 页数：4
• 文件大小：2290k
• 原文格式：D
• 会议级别：地方

摘要

弹性体在接触过程中由于分子间相互作用力会发生黏附现象,当接触半径在纳米量级时,表面效应的影响不可忽视。本文建立了纳米尺度下,刚球与半无限大基体接触时,综合考虑黏附效应和表面效应的理论模型。刚球和基体间的黏附效应基于L-J势来表征,表面效应对基体变形的影响基于我们提出的考虑纳米结构材料表面效应的弹性理论来表征。最终得到的强非线性的控制方程采用伪弧长延拓法和牛顿迭代法,给出了数值解,得到了压头所受外载随压入深度的变化关系。结果发现,和不考虑表面效应的经典解相比,基体剪切模量越小或者刚球尺寸越小,表面效应越明显。表面效应使得压头所受外载减小(拉力时),或增加(压力时)。已有的经典理论和实验发现,当基体模量较小或刚球半径较大时,压入或分离过程会出现突然黏附(jump-on)或突然撕脱(jump-off)的失稳现象,和经典理论相比,表面效应使得突然黏附和突然撕脱时的压入深度更浅。此外,对于刚球和基体在黏附作用下自平衡的特殊情况,我们发现,表面效应减小了自平衡时刚球的压入深度,这一结果和现有实验结果定性一致。

引文

1.Style,R.W.,et al.,Surface tension and contact with soft elastic solids.Nature Communications,2013.4(4):p.2728-2728.
    2.Johnson,K.,K.Kendall,and A.Roberts,Surface energy and the contact of elastic solids.Proceedings of the royal society of London.A.mathematical and physical sciences,1971.324(1558):p.301-313.
    3.Chen,S.H.and Y.Yao,Elastic theory of nanomaterials based on surface-energy density.Journal of Applied Mechanics,2014.81(12):p.121002.