为什么材料要具有最佳应变？

Question

如题所述

Answer 1

材料要具有最佳的应变力。首先就要了解什么是材料的应变力。材料的应变：材料内任一点因各种作用引起的尺寸或形状发生相对变形。
材料的应变与 受力、湿度、温度场变化等，像磁场、电场、微波等也会引起材料的应变。
单位面积上的力叫应力，单位力产生的变形叫应变。

电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。理论上可以根据弹性力学中 线弹性各项同性材料 的本构关系决定, 参见任意一本弹性力学教材. 在数学角度上,在本构矩阵中, 对于各项同性材料, 切应力和拉压应力的耦合项都是0.
薄壁圆筒扭转其实就是一个纯剪切的实例.应变没有单位，弹性模量单位是Pa。
1、物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。应变有正应变（线应变），切应变（角应变）及体应变。
2、弹性模量指的是单向应力状态下应力除以该方向的应变。
材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。
弹性模量的单位是达因每平方厘米。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个统称，表示方法可以是“杨氏模量”、“体积模量”等。

Answer 2

在连续介质力学里，应力定义为单位面积所承受的作用力。通常的术语“应力”实际上是一个叫做“应力张量” (stress tensor)的二阶张量（详见并矢张量或者张量积）。概略地说，应力描述了连续介质内部之间通过力（而且是通过近距离接触作用力）进行相互作用的强度。具体说，如果我们把连续介质用一张假想的光滑曲面把它一分为二，那么被分开的这两部分就会透过这张曲面相互施加作用力。很显然，即使在保持连续介质的物理状态不变的前提下，这种作用力也会因为假想曲面的不同而不同，所以，必须用一个不依赖于假想曲面的物理量来描述连续介质内部的相互作用的状态。对于连续介质来说，担当此任的就是应力张量，简称为应力。 应变在力学中定义为一微小材料元素承受应力时所产生的单位长度变形量。因此是一个无量纲的物理量。在直杆模型中，除了长度方向由长度改变量除以原长而得“线形变”，另外还定义了压缩时以截面边长（或直径）改变量除以原边长（或直径）而得的“横向应变”。对大多数材料，横向应变的绝对值约为线应变的绝对值的三分之一至四分之一。二者之比的绝对值称作“泊松系数” 应力与应变的关系我们叫本构关系（物理方程）此关系很重要!一般可通过试验确定f(σ,ε)曲线，不同材料他们之间的关系是不一样的。在线弹性体中有σ=Eε.E为弹性系数矩阵.

Answer 3

所谓应变率是指材料的变形速度，其定义为应变对时间求导，单位为”1/s"。
没有所谓提高材料应变率的说法，只要你的加载速度变了，对于相同长度的试件其应变率就会发生随之提高。
人们往往喜欢比较加载速度，即试验机的夹头移动速度。然而，如果试件长度不同而加载速度相同的情况下起应变率并不相同。如果，都采用应变率来描述材料的变形，那就有可比性。
通常的万能材料试验机最高的应变率往往只能达到0.1/s的速度，再高的应变率需要特殊的设备实现。最常见的是Hopkinson杆，其应变率往往在10的2次方到10的3次方之间。
影响材料动态力学性能的因素实际上和准静态下是一样的，无外乎是成分、组织以及缺陷运动等等。但是，需要指出的是，在高应变率（动态加载）下，材料的变形是一个绝热状态，需考虑绝热温升对材料的软化作用。

Answer 4

虽然石墨烯具有众多卓越性能，应用领域也非常广阔，例如：柔性电子、高效晶体管、传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等等，但是它仍存在一些局限性，例如不适合应用于半导体。因其内部结构中缺少电子带隙，所以当石墨烯被赋予能量时，电子可畅通无阻地迅速流过它。硅，是如今最佳的半导体材料，它的带隙相当大，因而能够“打开”或者“关闭”电子流。在晶体管和集成电路中，二进制计算机代码都是一连串的0和1，这种“开关”电子流的能力对于实现二进制代码来说非常关键。

目前，材料科学家正进一步探索其他二维材料以及原子级薄度的材料的潜能，希望找到优于石墨烯和硅的材料。

应变工程，一直被作为改善这些材料性能的可能的途径之一来讨论。不同于大块的三维结构，超薄结构使得材料特别容易受到弯曲和拉伸的影响。但是，对于只有几个原子厚度的材料，测试应变产生的影响，困难极大。

创新

通过科学探索与创新，巨大的困难也并非不可克服。近日，美国康涅狄格大学材料科学研究所（UConn's Institute of Materials Science）的研究人员通过拉伸的方式，显著提升原子级薄度的半导体材料的性能。这项研究成果将有利于下一代柔性电子、纳米设备和光学传感器的设计。

在一篇发表于学术期刊《纳米快报（Nano Letters）》的论文中，康涅狄格大学机械工程系助理教授 Michael Pettes 表示，六个原子厚度的双层二硒化钨（tungsten diselenide）在受到应变时，其光致发光性能表现出100倍的增长。这种材料之前从未表现出如此强大的光致发光性能。

位于美国马里兰州阿德尔菲的美国陆军研究实验室提供了石墨烯薄膜，用于证实康涅狄格大学测量应变所采用的校准标准。美国劳伦斯伯克利国家实验室 Molecular Foundry 的透射电镜证实了二硒化钨双层的原子级厚度。

技术

Pettes 及其实验室研究生、论文领导作者 Wei Wu 成功地测量了应变对于单晶双层二硒化钨的影响。首先他们将它装入一薄层丙烯酸玻璃中，然后在氩气室中加热它。（样本暴露于空气中时会被毁坏）。这种热处理强化了材料与聚合物基板之间的粘合，近乎完美地转移了受到的应力。在之前的实验中，这点一直很难实现。

然后，研究小组定制设计出一个弯曲的设备，以便他们小心地增加材料的应变，同时通过哈佛纳米系统中心（美国国家科学基金会赞助的一个共享用户设施）的 Horiba Multiline 拉曼光谱仪，来监测它是如何响应的。

这是一个非常激动人心的实验。Pettes 说：“通过新方法，我们对二维材料施加的应变，比之前报道的研究几乎多两倍。”

最终，研究人员发现增加对材料施加的应变，能够改变电子的流动，光致发光的强度可以反映出来这一点。

团队与康涅狄格大学材料科学与工程系助理教授 Avinash Dongare 以及计算机建模方面的专家、前博士生 Jin Wang 的合作研究表明，在理论上，他们的处理可以操控二硒化钨及其他原子薄度的材料的带隙，这对于找到更快速更高效的半导体和传感器来说极为重要。将非常靠近转变点的间接带隙半导体转化为直接带隙，有望通向极快的处理能力。

价值

Pettes 表示，这项研究成果标志着，科学家们首次令人信服地展示通过机械方式操控原子级薄度的材料的特性，从而提升其性能。这种能力将通向更快速的计算机处理器和更有效的传感器。

他又说：“这是首次确凿地报道了通过外部控制，从间接向直接的电子带隙转变。我们的研究成果，使得计算机科学家可采用人工智能设计出高度抗应变或者应变敏感的结构。这对于下一代高性能柔性纳米电子设备和光电设备来说极为重要。”

科研人员取得这一成果所采用的处理方法也有着重大的意义，为测量应变对于超薄材料产生的影响提供了一种可靠的新技术。之前，这种测量一直很难开展，同时也妨碍了创新。

Pettes 表示：“涉及应变的实验通常受到批评，因为这些原子级薄度的材料的应变实验非常难以判断，并且经常被推测为是不正确的。我们的研究提供一种开展超薄材料应变相关测量的新方法，而且它非常重要，因为应变会为这些跨越许多不同科学领域的材料的特性，带来数量级的改变。”