中国科协青年科学家论坛第108次活动10月18日至19日在华中科技大学召开。本次活动的主题是：材料力学行为与微尺度效应。本次活动由北京理工大学胡更开教授、同济大学仲政教授和华中科技大学李振环教授共同担任执行主席。
华中科技大学党委书记朱玉泉教授代表华中科技大学出席本次活动的开幕式，并对与会专家来到华中科技大学表示热烈的欢迎，对中国科协的大力支持和三位执行主席的精心组织表示衷心感谢！
论坛邀请了29位在该领域第一线从事科学研究的青年科学家介绍了最新的工作进展。还特邀中科院力学所白以龙院士，清华大学余寿文教授和北京大学黄筑平教授分别做了题为“时间尺度效应和Deborah数”、“表面效应与原子吸附的几个力学问题”和“粒子破碎的尺度效应”的学术报告。这次论坛还专门安排了一个单元的时间就该领域未来的发展和面临的挑战进行了讨论。青年学者的研究进展和三位特邀代表的精彩报告给与会的中青年学者留下了深刻的印象。
一、研究进展和主要学术观点
1、微尺度效应的理论和计算研究
北京大学王建祥作了题为“材料性能中的一些标度律与跨尺度关联”的报告，简要地阐述了具有相反物理机制的两类界面效应导致的非均质材料广义输运性能的尺度相关性可由形式上互逆的两类简单标度律来刻画，并揭示了跨越微观尺度-介观尺度-宏观尺度的耦合关联。中科院力学所陈少华作了题为“亚微米薄膜－基底系统纳米压痕实验及数值分析”的报告，介绍了一种不含高阶应力和高阶应变率的应变梯度理论，该理论能成功地解释细丝扭转、微薄梁弯曲、金属基颗粒增强复合材料、亚微米薄膜基底系统压痕中的尺寸效应和裂纹尖端解理断裂现象。北京理工大学刘晓宁作了题为“高阶连续细观力学”的报告，较全面地介绍了建立高阶细观力学的基本方法和一些成果。广西大学张克实作了题为“晶粒尺度下尺寸效应的晶体塑性分析”的报告，他们建议了一种用于Voronoi多晶集合体塑性分析的应变梯度晶体塑性模型，该模型能合理地预测晶粒尺寸对材料屈服和应变硬化的影响，同时还能合理地描述材料中增强相颗粒尺寸对材料硬化的作用。华中科技大学李振环作了题为“微尺度下材料损伤的离散位错机制”的报告，他们通过离散位错动力学模拟，详细分析了微孔洞长大的多种位错机制和颗粒增强复合材料中微颗粒附近的应力场，所得结果有助于理解实验中所观察到的孔洞形核和长大的尺寸效应。上海交通大学冯淼林作了题为“单晶铝疲劳塑性的离散位错动力学模拟”的报告，他们基于离散位错动力学方法，模拟了循环载荷下单晶铝内部位错的运动。宁波大学陈建康作了题为“海水侵蚀条件下混凝土的力学行为与孔隙尺度效应”的报告，他们借助于实验方法研究了钙矾石的演化与材料损伤演化、强度演化之间的关系，并建立了相应的化学/力学分析模型。中南大学胡元太作了题为“反平面变形压电陶瓷中的电场梯度效应分析”的报告，他们将电场梯度与应变、电场强度三种物理量作为基本变量引入到压电介质的能量泛函中，建立了含电场梯度效应的压电介质理论。
2、纳米材料与结构中的若干力学问题
中科院力学所魏悦广的报告讨论了五重孪晶纳米线试样的受力和变形、韧脆转变以及应力应变曲线等特征，并通过分子动力学模拟清楚地展现了五重孪晶形成机制和表面效应及尺度相关性。中科院力学所赵亚溥的报告首先介绍了ZnO薄膜压电系数d33随着薄膜厚度的减小而增大的实验研究结果，并且通过考虑表面驰豫（Surface relaxation）和表面张力（surface tension）的共同影响，给出了一个统一的理论模型。中国科技大学何陵辉的报告介绍他们利用非均匀光照操纵偶氮苯弹胶体表面变形形貌的研究进展，重点讨论了偏振光导致的无定型偶氮苯弹胶体变形模型，紫外光导致的丝状偶氮苯弹胶体变形模型，表面变形的尺寸依赖性和形貌转变等。武汉理工大学翟鹏程报告了他们利用应力诱导技术制备具有纳米结构的块体CeyFexCo1-xSb3热电材料的研究成果。与微米颗粒材料相比，他们制备的纳米结构材料在常温下的Seebeck系数上升了21%、热导率下降了17%而电导率基本不变，性能优值上升了80%，报告还对应力诱导纳米结构形成的机理进行了简要讨论。南京航空航天大学黄再兴的报告介绍了生长变形体连续介质模型的理论框架，根据非平衡热力学理论的局域平衡假设给出了描述生长变形体热力学过程的熵不等式以及本构方程，还应用这些方程初步探讨了肿瘤生长与变形的耦合关系。西安交通大学周进雄的报告介绍他们采用相场法对固体表面纳米相自组装进行数值模拟的研究结果。为了克服经典谱方法可能会遇到数值不稳定性的缺点，提出了一种稳定的二阶近似的谱方法，显著提高了谱方法的数值稳定性。在此基础上，研究了由浓度初始条件所引导的纳米相自组装过程。天津大学冯露介绍了在连续介质物理的理论框架下，台阶式外延薄膜生长过程的热力学描述方法。还采用一个简单的平台－台阶－纽结模型研究了原子在台阶附近的渗透过程和纽结密度的变化等基本的原子过程，并利用该模型给出了柱状台阶演化的连续极限。
3、新材料与结构的力学行为及其表征
清华大学方岱宁作了题为“航空航天材料与结构力学”的报告，从国家需求和学科发展两个方面系统、深入地阐述了航空航天材料与结构力学研究中急需解决的一些关键技术和重大科学问题。香港大学A. K. Soh作了题为“铁电体中变形和极化转换的相场模拟”的报告，通过对力或电载荷作用下铁电单晶体中裂尖附近畴变的相场模拟，详细地研究了畴变对裂纹失稳的影响。北京理工大学胡更开的报告介绍了拍形左手材料, 涂层颗粒型左手材料设计和影响左手材料工作带宽的主要因素，还重点介绍了左手材料在电磁透明技术的应用机理。同济大学仲政的报告全面地介绍了在功能梯度材料的基本力学性能测试以及细观力学研究、功能梯度材料梁、板、壳等结构的理论分析和数值计算方法研究、功能梯度材料的破坏分析、功能梯度材料与结构的优化设计理论等领域值得进一步研究的问题。兰州大学周又和作了“高温超导磁体的电-磁-力相互作用和磁热稳定性”的报告,介绍了兰州大学针对聚变反应堆中的超导磁体在电磁场作用下的弯曲与稳定性,高温超导磁悬浮动力特性和交变损耗的磁阻泥和动磁刚度的精细计算,以及高温超导体的磁-热相互作用的磁通跳跃等研究进展和取得的成果。重庆大学彭向和作了“NiTi SMA拟弹性特性的路径依赖性的微结构机理及描述”的报告，基于相变微结构，他们建立了NiTi SMA本构关系；并通过与实验结果的对比，证实了该本构模型能很好地描述NiTi SMA在不同路径下的宏观特性。上海大学的张俊乾作了题为“韧性基体复合材料中热力失效的模拟”的报告，主要介绍了热力载荷作用下的韧性基体复合材料的失效机理，通过对变形和失效过程的模拟探讨了试样尺寸对其强度的影响。武汉理工大学李卓球在题为“碳纤维水泥基复合材料功能响应的细观实验与机理分析”的报告中，介绍了他们在Instron5848微观试验机上完成的受拉的单根碳纤维在水泥基中的细观力电效应实验，以及建立的相应的理论模型和表面电阻计算的电学模型。通过与三点弯曲实验结果的比较，证实了这些模型的合理性。华中科技大学陈建桥作了“复合材料的损伤及可靠性优化”的报告，介绍他们在复合材料FRP的损伤及其影响因素、FMLs与FRP冲击性能比较、复合材料的优化和可靠性优化三个方面的研究成果。同济大学李岩作了题为“绿色复合材料的一些研究进展”的报告，总结了多年来对天然纤维增强复合材料的研究工作，并介绍了目前其课题组在绿色复合材料研究领域内的几个发展方向。南京航空航天大学高存法作了“压电体内缺陷放电现象及其效应研究”的报告，他们应用宏观与微观分析相结合的方法,研究了压电介质内孔洞(裂缝)，电极和微电树的放电现象及其效应，探索电场作用下能量耗散的机理和多尺度效应。华中科技大学杨新华作了题为“压电材料连续损伤力学理论和纳微尺度分析”的报告，他们根据连续损伤力学理论，通过引进力、电两个损伤张量分别表征力和电场引起的材料力学、电学性能的各向异性退化，在此基础上，建立压电材料三维各向异性的连续损伤本构模型；同时，还介绍了他们在压电材料纳微尺度计算方面的一些新的研究进展。
4、材料宏细观力学行为的模拟与计算
大连理工大学张洪武的报告介绍了所建立的搅拌摩擦焊接过程的数值模型，分析了搅拌摩擦焊接过程中材料的流动形式以及焊接参数对材料流动行为的影响。报告还对相关工作的未来发展趋势进行了展望。上海交通大学肖奇志作了 “准脆性材料内聚型裂纹模型理论研究和数值模拟”的报告，通过将内聚力-张开位移模型表示为一种统一的新形式，得到了准脆性材料内聚型裂纹尖端的一般场。在此基础上，将内聚型裂纹尖端场的主导项作为裂尖的嵌入函数，进一步改进了可以不重新划分网格但能够模拟裂纹的任意扩展的广义有限元方法。
二、与会者的共识与建议
活动期间，论坛专门安排一个单元的时间进行了座谈。北京大学王建祥和同济大学仲政主持了座谈会。大会采取自由发言的形式。与会的各位科学家积极发言，会场气氛轻松活泼。科学家们从材料力学行为与微尺度效应这个固体力学重要分支出发，对固体力学学科的研究心得和发展思路，固体力学学科面临的困难、挑战以及应对之策进行了深入、广泛的交流和探讨，并达成了广泛共识。
1、研究应注意方法论：现在对材料关注的尺度越来越小，以前把材料看成均匀的，但在微观尺度上，材料可以看成结构（微观结构）。材料响应变成了结构响应，这为理解尺度效应提供了一个思路。另外，材料的微观结构有不同的pattern，对材料响应的描述需要对材料的pattern进行刻画。
2、研究需要创新和学科交叉：新材料的发展，需要力学工作者要敢于涉足新的研究领域，比如说智能材料，仿生材料，鼓励更多人做其他人没做过的东西，形成中国自己的特色。力学研究应该吸引材料科学家，固体物理学家加入进来，扩宽视野，实现学科交融。力学研究应加强实验，把实验作为发现新现象源头。力学工作者应该将力学的方法和思路应用到相关领域，但同时也要保持力学学科自己的特色。另外，与会代表也认为力学的一些传统方向，它们曾是力学发展的主要动力，目前仍是解决工程问题的重要手段，应该给予相应的重视。
3、加强力学人才培养和交流：力学学科应该注重对员工的理论知识和解决工程实际问题能力的培养，吸引其它领域的人才加入进来。还要多加强交流，包括学科内的和学科外的，不同学校员工之间也要多交流。
三、活动的特点及反响
“材料力学行为与微尺度效应”作为固体力学的重要研究方向之一，涵盖了材料、物理、化学、生物等多个学科，具有非常强烈的学科交叉特征；又与纳米科技、生命科学/生物技术、信息科学与技术三大科技领域密切相关，具有鲜明的时代特征。这次活动围绕这一主题进行研讨，非常必要和及时，对于加强国内相关领域研究人员的交流和合作，促进该领域学科的发展有较大的推动作用。与会学者认为：本次论坛主题鲜明，学科交叉明显，学术讨论热烈，学术交流充分，论坛获得了圆满成功。与会学者还认为：为了继续加强这一领域的交流与合作，应当举行不定期的论坛交流，并邀请部分相关领域的学者参加以后的论坛，以推动这一领域的成果在其它领域，包括在国家重大工程中的应用。
|
