纳米表面工程的基本力学问题

随着纳米科学技术的快速发展，纳米材料和纳米技术与传统表面工程交叉、复合、综合并开发应用，由此“纳米表面工程”应运而生。纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程^[22]。通过表面机械加工、涂覆或沉积，如高能喷丸^[23]、电镀^[24]、激光熔覆^[25]、高速热喷涂^[26]等技术手段都可以在材料表面获得纳米结构。纳米结构改性层及涂镀层较相同成分微米级涂层的力学性能及耐磨和润滑性能等都有很大程度的提高。

随着纳米表面工程和力学学科的发展，人们逐渐认识到纳米力学研究的重要性。量子力学探讨尺度在纳米以下的微观世界物质的力学行为，而连续介质力学探讨的是可以做连续性近似的宏观世界物质的力学行为。在传统宏观和传统微观之间，即纳米尺度上，存在着材料和构件的力学行为与宏观尺度有显著不同的现象^[27]。纳米力学主要研究纳米尺度下材料、器件与结构的力学行为，是传统力学在纳米尺度领域的延伸，且涵盖广阔的研究领域，如纳米多晶材料、纳米薄膜/涂层、纳米机械和纳米加工技术等，相应地涌现出纳米塑性力学、纳米断裂力学、纳米薄膜/涂层力学等纳米力学专题。近年来，该学科在纳米晶体力学、碳纳米管力学和纳米压痕力学等方面有较新的进展。按照上述纳米力学的定义，可将宏观、细观、纳米、微观力学的研究范围进行划分，如表2-1所示。

表2-1 各分支力学的研究范围

由于纳米表面工程是一个系统工程，涉及多学科多尺度问题，因而纳米表面工程中的基本力学问题涵盖面广且具有一定的复杂性，而这些问题的研究既具有一定的理论深度又具有实用性，但其各种力学问题的研究还具有一定的局限性，有待于进一步深入认识和研究。下面初步勾勒出纳米表面工程的基本力学问题之雏形，它是纳米力学在工程中的新分支：

1）纳米涂层/薄膜成型工艺过程中的工艺力学与热力学及生长动力学分析。(www.xing528.com)

2）纳米涂层/薄膜开裂与失效、膜基结构的力学问题。

3）纳米涂层/薄膜改性、组装及摩擦力学问题。

4）纳米涂层/薄膜微观结构实验表征与力学性能测试问题。

5）纳米涂层/薄膜的优化设计及微细加工工艺力学问题。

综上，无论从纳米表面工程中纳米材料研究的角度还是从整个纳米表面工程研究的角度来考虑，纳米表面工程中的上述力学问题是纳米表面工程研究中涉及的基本科学问题。