提名国家自然科学奖项目公示

项目名称

具有界面效应的复合材料等效性能研究

提名单位

教育部

项目简介：

本项目属于固体力学领域的核心基础问题。复合材料在当今工业中得到了广泛的应用，甚至成为航空工业中结构先进性的重要标志。界面是决定复合材料性能的关键因素，也是复合材料设计和力学研究中永恒的主题。本项目系统地研究了各种界面条件对复合材料等效力学性能的影响，做出了一些原创性贡献，获得了一批创新性成果：

1. 具有各种界面条件的夹杂问题解。系统地给出了具有各种数学界面（滑动界面、类位错界面、线弹簧界面、界面应力）球形夹杂的应力集中张量，发现内场应力集中张量具有非均匀性和尺寸相关性；得到了无限大体中具有非均匀界面相的球形夹杂的Eshelby张量及应力集中张量，以及自由和固定两种边界条件下有限球域中球形夹杂的Eshelby张量；建立了界面相模型和数学界面模型之间的关联关系及界面参数与界面相模量及厚度之间的等效关系。

2. 具有各种界面效应的细观力学方法。建立了具有界面应力效应的细观力学一般框架，预测了具有界面应力效应的含有球形夹杂和圆柱形夹杂的非均质材料和纳米介孔材料的等效模量；建立了统一的细观力学理论框架预测计及界面相、线弹簧界面、界面应力效应的含球形粒子和圆柱纤维的多相非均质材料的等效弹性模量。对于线弹簧界面模型和界面应力模型，得到了等效弹性模量遵从的两类标度律。

3. 复杂形貌固体表面的等效表面应力理论及应用。建立了吸附表面和复杂表面的表面应力理论。从表面应力产生的物理机制出发，建立了分子特性和分子间的相互作用(微观尺度的量)与吸附产生的表面应力(连续介质参量)之间的关系。然后，把此理论应用到基于吸附机制的微悬臂梁传感器上，分析吸附产生的表面应力对微悬臂梁静态和动态特性的影响。基于复杂表面的等效表面应力理论，提出了构建具有微纳米尺度粗糙表面微悬臂梁传感器的概念，并分析了微悬臂梁传感器的静态和动态特性。

本项目获得教育部自然科学奖一等奖(2016)。在包括Proc. Nat. Acad. Sci., Adv. Mater., Phys. Rev. Lett., Adv. Appl. Mech., J. Mech. Phys. Solids等在内的国际期刊上发表SCI论文50余篇，12篇论文为高引用和热点论文(5篇 ESI高引用论文)。相关工作被国内外学者实质性引用并给予高度评价。发表在固体力学顶尖杂志J. Mech. Phys.Solids的论文单篇SCI他引300多次。北京大学主办了一个国际力学领域顶级专题研讨会“IUTAM Symposium on Surface Effects in the Mechanics of Nanomaterials and Heterostructures”(纳米材料和非均质材料力学中的表面效应，2010)。在国内外学术会议、大学及研究机构做大会报告、主旨和邀请学术报告七十多次。主要完成人获得了中国青年科技奖、中国青年女科学家奖、科技部中青年科技创新领军人才、长江特聘教授、国家杰出青年基金，美国机械工程师学会（ASME）The Sia Nemat-Nasser Award、ASME The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award、中国力学学会青年科技奖、北京市茅以升青年科技奖等多项奖励。

客观评价：

1. 具有各种界面条件的夹杂问题解――代表性论文[3,5,8]

代表性评价1：The European Physical Journal B主编，意大利学者L. Colombo等发表于物理学领域权威综述期刊Reports on Progress in Physics (2011, 74, 116501)的综述论文中，引用了本项目的九篇论文，其中包括八篇代表性论文中的四篇（代表性论文1,3,4,6）。指出：“Duan等人基于表面弹性理论和Young-Laplace方程得到了描述纳米结构材料弹性性能的标度律。本文的结果可以与Duan等人的标度律进行比较。” 另外， Colombo等在发表于Physical Review B (2010, 81, 214113)的一篇论文中，引用了本项目相关的九篇论文，其中包括八篇代表性论文中的四篇（代表性论文1,3,4,6）。指出：“作为非均质结构分析起点模型的Eshelby构型的连续介质力学解是固有地与尺度无关的。然而，由Young-Laplace方程描述的表面和界面效应的引入导致尺度相关性。这类模型已经被应用于Eshelby构型和量子点结构。”

代表性评价2：化学领域权威综述杂志Chemical Society Reviews (2016，110623−10730）在题为“Strain Theory and Limits to Coherent Shell Growth”的综述部分中,大段综述了本项目的四篇论文(重点评述了代表性论文5)，指出“基于Eshelby体系，段等人发展了一套可以系统研究具有纳米特征尺度的纳米结构材料的连续介质力学方法。采用该方法可研究计及界面处不匹配应变、热应变、表面应力和外压影响的同质或异质芯壳量子点的应变场。该方法已被用于多层芯壳异质结构的研究，还可进一步拓展并用于研究具有多层梯度壳结构的量子点。该方法对作用于量子点上的外载方向没有限制，并可用来求解具有多层芯壳结构的量子点的径向应力场和应变场。另外，段等人指出，表面应力对量子点应变场的影响往往被忽略了，然而在某些情况下表面应力对量子点径向方向的压缩会产生重要的影响”。

代表性评价3：美国工程院院士S. Crouch 教授研究组发表于固体力学顶尖杂志Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2008, 56, 2298-2327)一篇论文中，有11处重点引用了本项目的工作，引用了本项目相关的五篇论文，其中包括八篇代表性论文中的三篇（代表性论文1,3,4），并使用了本项目的多个公式（例如，公式（57））。指出：“具有界面效应的单夹杂/孔洞问题的解析解由Duan等（MOM,2005,37, 723-736)和Chen等（2007）给出。”

2. 具有各种界面效应的细观力学方法――代表性论文[1,4,5,6]

代表性评价1：法国Q.C.He教授在Mechanics of Materials (2008, 40, 865-884)论文提出了具有界面应力影响的变分原理，得到了具有界面应力影响的等效弹性模量的界限，引用了本项目的七篇论文，其中包括八篇代表性论文中的五篇（代表性论文1,3,4,6,8），其中，把本项目代表性论文4和代表性论文6中利用广义自洽方法得到的具有界面影响的球形夹杂/圆柱夹杂的等效弹性模量公式(Mechanics of Materials, I &II, 2007,39, 81-93; 39, 94-103)和他们的相应的界限进行比较(见Q.C. He教授Mechanics of Materials, 2008, 40, 865-884论文中的图9-图12)，指出“这些界限与Duan等（2007）基于广义自洽方法GSCM 的解析结果进行比较”，以验证他们界限理论的正确性。

代表性评价2：Acta Mechanica主编，美国学者G.J.Weng 教授发表于固体力学杂志International Journal of Plasticity（2009,25, 2410?2434）的论文中，引用本项目代表性论文4（Mechanics of Materials, I, 2007,39, 81-93），指出：“最近，Duan等使用能量等价方法推导了“等效夹杂”的等效弹性模量，这种方法对于后面的理论框架特别有用((More recently Duan et al. (2007) made use of energy equivalence... This approach proves to be particularly useful to our later formulation.)，在下面将引用。”；“为了建立我们描述晶界滑移粘弹性响应的方法，首先在公式(12)中使用Duan等的弹性理论，然后作Laplace变换，从而发展基于线性比较复合材料的粘弹性理论。”

代表性评价3：法国学者S. Brisard (Computational Materials Science, 2010,50,403?410)将其关于复合材料等效弹性模量界限理论结果与本项目的结果比较(代表性论文1，Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2005, 53, 1574-1596)。指出：“本文的一般性框架应用于单一尺度球形夹杂的结果表明，Hashin-Shtrikman界限对应于Duan等给出的基于Mori-Tanaka方法的预测。这一“非同寻常的”(remarkable)结果推广了已有的无界面效应的结论(….for which we show that the Hashin?Shtrikman bound on the bulk modulus coincides with the Mori?Tanaka estimate derived by Duan et al. [11]. This remarkable result generalizes those available for a composite without interface effects.)。”“因此，在界面刚度正定的情况下，Duan等的预测事实上是等效体积模量的严格下限。”

3. 复杂形貌固体表面的等效表面应力理论及应用――代表性论文[2,7]

代表性评价1：物理领域权威综述杂志Physics Reports-Review Section of Physics Letters (2011,503 115-163)发表的题为“纳米力学传感器及在生物和化学检测中的应用”的综述论文中，指出：“Duan等([191],Journal of the Mechanics and Physics of Solids,2009, 57, 1254-1266，代表性论文2)建立了分子尺度的吸附与微悬臂梁曲率以及振动频率的联系。并且，Duan 等([191])表明，反映分子间相互作用的参数与表面弹性模量的变化等价。如果知道了分子间的相互作用能，表面弹性模量就可以通过分子相互作用能对曲率的二阶导数得到。”

代表性评价2：荷兰格罗宁根大学的 G.Palasantzas教授在2010年发表于Physical Review B (2010, 82, 155438) 的论文，研究了表面的粗糙度对微悬臂梁静态动态频率灵敏度的影响，文中用大量的篇幅引用和使用本项目论文 (Acta Mechanica Solida Sinica, 22, 2009，代表性论文7)中的理论框架和公式(如，振动方程，等效弹性模量的计算公式等)，占据了其论文的大量篇幅。

代表性评价3：化学领域权威综述杂志Chemical Society Reviews (2010, 39, 1805-1834) 关于“金表面自组织单层硫磺和二巯基化物的新挑战”为主题的论文中，评述了本项目代表性论文2 (Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2009, 57, 1254-1266)的工作。指出：“需要揭示吸附效应对纳米材料和器件的力学响应的理论框架。最近，物理吸附和化学吸附产生的表面应力与van der Waals 和 Coulomb相互作用间的关联关系已经被建立起来。”

代表性论文专著目录：

1.     Duan HL, Wang J*, Huang ZP, Karihaloo BL; Size-dependent effective elastic constants of solids containing nano-inhomogeneities with interface stress; Journal of the Mechanics and Physics of Solids; 2005, 53 (7): 1574-1596.

2.     Yi X, Duan HL*; Surface stress induced by interactions of adsorbates and its effect on deformation and frequency of microcantilever sensors; Journal of the Mechanics and Physics of Solids; 2009, 57 (8): 1254-1266.

3.     Duan HL, Wang J*, Huang ZP, Luo ZY; Stress concentration tensors of inhomogeneities with interface effects; Mechanics of Materials; 2005, 37 (7): 723-736.

4.     Duan HL, Yi X, Huang ZP, Wang J*; A unified scheme for prediction of effective moduli of multiphase composites with interface effects; Part I: Theoretical framework. Mechanics of Materials; 2007, 39 (1): 81-93.

5.     Duan HL, Jiao Y, Yi X, Huang ZP, Wang J*; Solutions of inhomogeneity problems with graded shells and application to core-shell nanoparticles and composites; Journal of the Mechanics and Physics of Solids; 2006, 54 (7): 1401-1425.

6.     Duan HL, Yi X, Huang ZP, Wang J*; A unified scheme for prediction of effective moduli of multiphase composites with interface effects: Part II - Application and scaling laws; Mechanics of Materials; 2007, 39 (1): 94-103.

7.     Duan HL*, Xue YH, Yi X;Vibration of cantilevers with rough surfaces; Acta Mechanica Solida Sinica; 2009,22 (6): 551-554.

8.     Wang J, Duan HL, Zhang Z, Huang ZP*; An anti-interpenetration model and connections between interphase and interface models in particle-reinforced composites; International Journal of Mechanical Sciences; 2005, 47 (4-5): 701-718.

主要完成人情况：

1. 段慧玲，排名1，北京大学工学院力学与工程科学系主任，长江学者特聘教授，工作单位：北京大学，完成单位：北京大学，是该项目主要完成人。本人是代表作[1,3,4,5,6,7]的第一作者，代表作[2,7]的通讯作者，代表作[8]的合作者。本人对创新性成果中1，2，3做出了创造性贡献。建立了具有各种界面效应的非经典Eshelby体系，发展了具有界面效应的细观力学一般框架，建立了复杂表面的等效表面应力理论、以及分子特性和分子间的相互作用与吸附产生的表面应力之间的关系。对推动纳米结构材料和非均质材料力学中的表面和界面效应的研究做出了实质性贡献。

2. 王建祥，排名2，北京大学工学院副院长，长江学者特聘教授，工作单位：北京大学，完成单位：北京大学。本人是代表作[1,3,4,5,6]的通讯作者，代表作[8]的第一作者。本人对创新性成果中1，2做出了创造性贡献。研究了具有各种数学界面/界面相夹杂的应力集中张量；建立了界面相模型和数学界面模型之间的关联关系。建立了统一的理论框架预测计及多种界面效应的含球形粒子和圆柱纤维的多相非均质材料的等效弹性模量；得到了具有线弹簧界面模型和界面应力影响的非均质材料等效弹性模量遵从的两类标度律。

3. 黄筑平，排名3，教授，工作单位：北京大学，完成单位：北京大学。本人是此次申报代表作[1,3,4,5,6]的合作者，代表作[8]的通讯作者。本人对创新性成果中1，2做出了创造性贡献。 研究并得到了具有各种数学界面的应力集中张量。发现和建立了界面应力模型与薄而硬的界面相模型的等效关系，使得界面弹性理论除了可以描述数学界面之外，还可以描述薄界面相；提出了一个反嵌入界面模型，排除了经典的线弹簧界面模型的缺点。提出了预测含球形夹杂的非均质材料等效模量的一种新的广义自洽方法。研究了具有各种界面影响的多相非均质材料的等效弹性模量。

完成人合作关系说明：

本项目完成单位为北京大学，三位完成人均在北京大学工学院力学与工程科学系工作，是北京大学固体力学学科点的成员，长期合作开展具有界面效应的复合材料等效性能的研究工作，共同承担多项国家自然科学基金重点项目、面上项目等，合作发表高质量学术论文，开展实质性合作。

本项目是在三位完成人互相紧密合作的基础上完成的原创性科研成果。其中，段慧玲是全部8篇代表性论文的合作者，代表作[1,3,4,5,6,7]的第一作者，代表作[2,7]的通讯作者，代表作[8]的合作者。从合作的角度而言，三位完成人合作完成代表性论文[1,3,4,5,6,8]。段慧玲、王建祥和黄筑平共同获得2016年教育部自然科学奖一等奖。