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第33卷第3期 、『ol 3 力 学 学 报 33，No 2001年5月 ACTAMECIIANICASINICA 2001 May 45。载荷作用下单分子层的微屈曲分析1 张田忠+ 郭万林¨ 杨 政’ +(西安变通大学机械结构强度与振动国家重点实验室，西安710049) t(南京航空航天大学飞机系，南京210016) okA 摘要通过发展Cbisks和Parlles提出的弹簧模型模拟了单分严层的微屈f}fi现象，结桀显示． 单分子层的屈曲模态由其横向抗弯刚度及其与基体间粘结刚度密切相关．随着涂层横向抗弯刚 度的升高和溶层与基体粘钻刚度的降低，屈曲模态趋于光滑且临界屈曲载菏降低．尊分r层的 纵向抗剪能力对其模志值没有影响，但临界屈曲载菏会随纵向抗剪力的增大而减小此外。还 给出了单分子层不发生屈曲的临界判据，对于工程设计具有指导意义 关键词纳米科技，微曲屈．单分子层，弹簧模型 薄层在工程结构中有着广泛的应用．例如在硅衬底上涂上导电材料薄层作为作动器电檄忆 或在软材料表面喷涂碳薄层作为耐磨层12 J等等．由于薄层的失效往往导致整个构件的失效，所 以近年来人们对薄层的力学行为诸如断裂、屈曲、脱落、滑移等进行r广泛而深入的研究[1’12】． 随着现代高科技的飞速发展，微结构的尺度趋向于分子量级．所谓纳米科技的新学科应运 而生．对分子量级薄层力学特性的研究也随之成为纳米科技的一个重要分支．然而由于分子尺 度薄层的离散特性，连续介质力学基础假设不再成立故析不能适用㈣这就迫切需要寻求新的 方法柬解决此类问题． 稳定性分析是分子薄层力学性能的研究中最常见的问题之一，例如碳纳米件的剧ff}i1Ⅲ或 气泡的破裂㈣显然，连续介质力学对这类问题显得无能为力．最近Fang和Wlckert[”l提出 clement r一种所谓自由尊元法(free mel,hod)来解决微结构梁(micromachinedbeams)的稳定 性问题遗憾的是，正如Chisks和Parncs[”】所指出的，对于屈曲形状不太光滑即单元问的相自： 作用比较强烈时，自山单元法不再适用．为此， Chisks和P”nes¨d提出了‘种可考虑单儿间 相互作用的弹簧模型来处理申分子层的微屈曲问题．可是，他们的模型局限于一维线形屈曲， 仅仪考虑了层的横向弯曲变形而没有考虑层内的剪切变形．事实上，正如本文所讨论的，在二 维情况下，单分子层的屈曲行为和一维时有很大的1)(别． 巾，通过用卷曲弹簧模拟层的横向抗弯力和层内抗剪力，用普通弹簧模拟单分子层与基体的粘 结力，得到丁影响单分子层屈曲载荷和坷曲模态的参数，并且给出了单分子层1；发’}屈曲的临 界判据，对于T稃设计具有指导意义． 1模型原理 考虑附着于基体上受压缩载荷F，分子间距为n的单分子层(图1)用卷曲弹簧模拟分子 键之间的相互作用，用普通弹簧模拟单分子层与基体的粘结，『『Ii假设分子问距在单分子层发生 屈曲时保持不变．这种假设其实是对分子间各种相互作用的一阶近似模拟． 2000一)5—18收到第一稿，2001-0222收到修改稿． 1)国家杰出青年基金、长江学者计划和国家自然科学摹金资助项目 万方数据 !∑兰』旦——————一堡竺璺竺!!