材料学科的迅速发展对固体力学提出的挑战－中国科协青年科学家第96次论坛会议简介

方岱宁1、仲政2、周益春3
1清华大学工程力学系，北京100084  2同济大学航空航天与力学学院，上海市，200092  3湘潭大学材料与光电物理学院，湖南省湘潭市，411105

(一)概 况
    2005年5月21－23日，“青年科学家论坛” 第九十六次活动在湖南湘潭盘龙山庄举行，包括3名院士、20名“长江学者”特聘教授或者国家杰出青年基金获得者等共39名青年科学家和政府官员共同探讨“材料学科的迅速发展对固体力学提出的挑战”。本次论坛由中国科协主办、中国力学学会和湘潭大学共同承办，执行主席由清华大学方岱宁教授、同济大学仲政教授和湘潭大学周益春教授共同担任。中国科学院白以龙院士，哈尔滨工业大学杜善义院士、国家863专家委员会黄伯云院士和徐坚教授、湘潭大学校长罗和安教授、株洲市副市长杨维刚同志以及中国科协赵崇海副处长、国家自然科学基金委员会数理学部力学处孟庆国处长、中国力学学会杨亚政副秘书长、湖南省教育厅徐伟处长等部门有关领导出席了本次论坛，并且作了讲话。会议期间，青年科学家们参观了湘潭大学校园、湘潭大学材料与光电物理学院和先进材料及其流变特性教育部重点实验室，应株洲市政府的邀请还参观了株洲市国家高新开发区，与高新开发区的企业家们进行了座谈，并对高新开发区的湖南利德材料科技股份有限公司(由湘潭大学和利德投资股份有限公司共同组建)、时代新材料集团等企业进行了考察。
    与会学者围绕纳米力学与低维材料力学、智能材料力学和多场耦合力学、材料固体力学三个前沿问题进行了深入的研讨和交流。西安交通大学卢天健教授、兰州大学郑晓静教授、中国科学院化学研究所徐坚教授、西安交通大学徐可为教授、大连理工大学顾元宪教授、中国科学院力学研究所魏悦广教授分别担任各时间段的主持人，31位学者作了学术报告。
(二) 所面临的挑战和机遇
     经两天的热烈讨论，青年科学家们就固体力学在当前纳米和低维材料、智能材料和多场耦合情况以及材料固体力学的发展趋势下所面临的挑战和机遇达成以下共识：
(1)纳米和低维材料的发展给固体力学的研究带来了一片崭新的发展空间
(a)理论研究。20世纪80年代初以来，随着现代制备(生长)技术的发展，人们制备出了各种具有丰富和优异性能的新型低维材料如零维量子点、原子团簇、纳米粉体，一维量子线、纳米丝、纳米管、纳米超晶格，二维量子阵列、薄膜、涂层，以及一、二维准晶等。这些材料大都表现出结构形态复杂、物理性能优异，对其生长规律和物理性能与其结构形态之间的机制和关系的研究一直吸引着材料、物理、力学、数学、机械、生物等领域的学者。由于低维材料与相应大块材料、基底材料性能相差较大，以及尺度效应等，现有的理论基础和实验方法对低维材料的研究不一定合适。因此，寻找适合于设计低维材料和预测低维材料力学性能又是当前材料和固体力学研究领域遇到的挑战。力学工作者被带入一个既非传统宏观，又非传统微观的科研处女地。纳米力学和低维材料力学的研究范畴到底是什么？如何提出全新的理论基础，即既非传统的宏观牛顿力学，又非传统的微观量子力学？
(b)跨尺度数值模拟。人们在长期的实践中认识到，材料性质并非是一成不变的依赖于材料的化学组分，而在很大程度上还取决于材料的微结构。所谓微结构，是指所有热力学非平衡态的晶格缺陷在空间分布的集合，其空间尺寸可以从零点几纳米到数米量级，所对应的时间尺度可以从数ps到数年。从定量上搞清楚材料的宏观性能与其微结构之间的关系，一直是材料科学的一个主要目标。众所周知，数值模拟是材料设计、材料性能预测的有力工具。但对于空间尺寸和时间尺度都相差十几个数量级的微结构的演化问题，单一的微观或者宏观方法显然十行不通的。对于这个跨尺度的问题，人们遭遇到严重的数学和物理问题。
(c)实验表征。实验力学所面临的是面对低维材料这些新的研究对象如何发展新的实验方法、研究新的测试技术以满足微/纳米结构及材料力学性能测量的需要。在结构研究方面要着重研究微/纳米结构的加载方法与变形测量方法；微米结构的超高频动力学特性试验方法；微区域微观演化的宏观加载环境控制技术；低维结构的实验方法与模拟技术；微小试件的微加载微传感测量方法。在材料研究方面着重研究由于纳米晶粒不断换位、晶界滑移、晶粒转动等新的形变因素所带来的诸如室温超塑性等新的材料现象和新的韧脆转变机制；碳纳米管高度的各向异性、微米纳米尺度块体材料与晶粒尺度相当所引起的非均匀性和尺度效应；如比表面积极大而引起的表面能和表面层效应、摩擦、粘附力；电、磁、热、光、湿由于微/纳米尺度产生的不可忽视的效应；量子效应对材料破坏和极端变形等的影响等等。
(2)智能材料力学和多场耦合力学所面临的挑战和机遇
信息技术和集成微光机电系统的飞速发展，大量采用智能器件。它提出了多场耦合与细微信息结构力学等科学问题。当应力、应变或热与电磁行为出现强交互作用时，力学的规律对于智能与信息材料与结构设计就变得极端重要。这些智能器件通常使用象压电/铁电材料、铁磁材料和形状记忆合金等功能材料，一般在电－力－磁－热耦合载荷环境下工作。这些结构元件和结构系统在外加磁场、电场以及大梯度高温场环境中所发生的变形、振动和失稳，是相关设计中必须考虑的重要环节，而其在工作可靠性是目前国内外十分关注的问题。于2004年8月15日至8月21日在波兰华沙科技大学举行的2004年国际理论与应用力学联合会议(ICTAM04) 智能材料和结构列为力学界当今比较受关注的六个专题之一。因此，往往是各向异性的智能材料的本构关系的确定、多场耦合下的场的分析、基本物理力学参数的确定是固体力学面临的又一挑战。
(3)材料固体力学这门学科方向逐步形成
材料科学不像物理学、化学和力学已经有一个很成熟的体系，材料固体力学体系正在形成过程中。材料实际强度和目前的理论强度相差一至二个数量级。这个矛盾曾推动位错、裂纹等的重要物理、力学理论的建立。然而至今这个根本矛盾依然存在。固体力学如今不仅限于计算微小应变和应力，而且要求判断变形局部化、损伤、寿命乃至断裂。更进一步的问题是如何将不同性能和功能的材料合理地配置在一起，形成某种特定的复合材料，以实现实用所要求的某种考虑比重、刚度、强度、韧性、功能乃至价格等多种因素的优化组合，并促成材料设计科学。再进一步是将各种特定的制备和加工技术，如塑性成形、粒子束加工等工艺，也达到机理性的认识和优化控制。到那时，整个材料和制造业，将从所谓的“厨房中的化学”变为节省资源，节约能源，优化合理的产业。
材料的复合化成为发展新材料和改造传统材料的一种重要手段，这包括复合材料、材料表面改性、薄膜与涂层等。材料的复合化造成界面问题显得特别突出。由于界面两侧材料的热学与力学参数的失配，将引起残余应力。该残余应力与外载荷的共同作用将造成材料的破坏。因此，界面力学遇到从微观到宏观的变形、损伤直至破坏的全过程的理论分析、数值模拟和实验测量的问题。尤其是界面断裂韧性、界面强度等概念是否适合是否可以找到一个关于表征界面由变形、损伤直至破坏全过程的合理参量。
(三)本次论坛的特色
    本次论坛有以下几个典型的特色：
(1)固体力学学科和材料学科青年科学家的共同交流
   来自固体力学和材料学科的不同学科的专家、学者集聚一堂，共同探讨材料学科的迅速发展对固体力学提出的挑战、发展机遇和发展动向的热烈讨论是本次“论坛”活动的一个最显著的特点。参加本次“论坛”活动的代表中不仅有主要从事固体力学研究的青年学者，还有从事材料学科与固体力学交叉学科的青年科学家，更重要的有以国家科技部863高技术计划新材料领域高性能结构材料主题专家组组长，304专项组组长徐坚教授为代表的一批材料科学家。本次论坛的三位执行主席原先担心因为不同领域的学者的观点完全不同而可能无法讨论。事实证明这种担心是多余的。在讨论过程中，固体力学科学家与材料科学家确实有一些相左的观点，例如常常发现用到这样的词句“我是搞固体力学的，你这个完全没有理论基础”，“我是搞材料的，你这样完全不切合实际”等等，有时甚至是面红耳赤。经过三天时间的讨论和对材料试验基地的考察，不同学科的科学家完全有许多交集的地方：那就是为了科学事业、为了国家民族工业的振兴，各自的观点都是片面的。固体力学的发展离不开材料学科的支撑、离不开材料的工业发展，材料学科的发展离不开固体力学的学科支撑，离不开固体力学的理论和实验方法的指导。多学科的交融与碰撞不仅可以使青年学者们从各自的研究领域向固体力学提出极具挑战性的研究课题，同时也给固体力学和材料学科的研究带来了新概念、新思路。不同观点充分交锋，学术气氛浓厚，交流取得了很好的效果。代表普遍反映，这样好的会议为近年来学术讨论会所罕见。
(2)直接接触企业
   从事基础研究的青年科学家们与企业直接接触是本次论坛的又一个显著特色。参加本次论坛的青年科学家们一般都是国家杰出青年基金获得者、教育部“长江”学者特聘教授和科学院的“百人计划”人才，这些专家大部分从事基础研究，而且从事固体力学的专业的要多于从事材料专业的，他们直接与企业接触的比较少。这次论坛的专家应株洲市政府的邀请参观了株洲市国家高新开发区，与高新开发区的企业家们进行了座谈。在座谈会上，株洲市科技局副局长黄一鸣先生主持会议，株洲国家高新区副主任邓尚文同志致欢迎辞，并简要介绍株洲高新区基本情况。高新开发区内的湖南利德材料科技股份有限公司(由湘潭大学和利德投资股份有限公司共同组建)、时代新材料集团、硬质合金集团、广缘科技、湘瓷科艺等单位的企业家们各自介绍了他们企业的情况，青年科学家与企业家进行了广泛的座谈，随后对湖南利德材料科技股份有限公司(由湘潭大学和利德投资股份有限公司共同组建)、时代新材料集团进行了实地考察。通过这个活动，青年科学家们从一个侧面了解了我国高新企业蓬勃发展的态势，同时也了解到企业对高级专家的渴求，对解决具体基础问题和技术问题的迫切。
(3) 新领域、新方向、交叉学科的新课题——展现开拓“固体力学新边疆“的势头
    随着材料学科的迅速发展，具有结构形态复杂、物理力学性能优异的材料被不断制备出来，如零维量子点、原子团簇，一维量子线、纳米线、碳纳米管，复合结构纳米材料等等。随着对这些材料的深入研究，传统固体力学的研究范畴被大大拓展，新领域、新方向、交叉学科的新课题已经展现开拓“力学新边疆“的势头。例如对低维材料的研究使固体力学不只是局限于传统连续介质的思想，而且拓展到物质的微观领域，追求微观结构和宏观性能的本质关系；面对完全不同于传材料如碳纳米管、薄膜等等这些新的研究对象，开始发展新的实验方法、研究新的测试技术以满足微/纳米结构及材料力学性能测量的需要；对于研究对象在空间尺寸可以从零点几纳米到数米量级，时间尺度可以从数ps到数年的微结构的演化问题，以及相对应的宏观性能与其微结构之间的关系这样一个跨尺度的研究不仅拓展了国体力学的研究领域，而且真正将材料学科、物理学科、力学学科和数学学科紧密地联系在一起；“厨房炒菜”式材料制备的方法被打破，人们开始理性地从材料的微观结构、宏微观性能等多方面进行材料的设计；固体力学学科在当今的信息技术、集成微光机电系统飞速发展中也扮演了十分重要的角色。从这次论坛的一些报告的题目中就可以看出开拓“固体力学新边疆”的一些发展势头：“微纳米尺度的力学”，“纳米尺度下材料力学性能的标度律”，“多尺度模拟技术的进步正在消除着模型与实物间的距离”，“碳纳米管复合材料的多尺度力学分析”，“薄膜的制备与薄膜力学表征”， “左手材料对固体力学提出的一些问题”，“智能材料的介观理论”， “磁致伸缩材料的若干力学问题研究”，“热防护材料及其力学问题”，“轻质复合材料多功能设计与应用”，“高性能结构材料的性能评价和服役行为预测”，“绿色复合材料的界面性能”等等。