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颗粒物质是由大量固体颗粒相互作用形成的多体系统。由于其离散性和强耗散性,颗粒物质会表现出大量异于连续介质的独特性质。本质上,颗粒物质宏观尺度下的动、静态特性与微观尺度下颗粒内部结构以及颗粒间的相互作用密切相关,因此,研究微观尺度下颗粒的结构参数和变形特征、进而建立颗粒微观信息与体系宏观力学性质的关联,是揭示颗粒介质复杂力学特征的有效途径。
本文利用物理试验和理论分析方法,分别从微观和宏观尺度对颗粒间接触力的主要形式—摩擦力及其行为等基础问题进行了研究。主要工作包括:
首先,利用直剪仪从宏观层次研究了剪切颗粒流的摩擦行为,分析了颗粒物质宏观剪切强度;总结了颗粒介质宏观摩擦过程的推进模式,并将颗粒粒径和形状不规则度作为影响摩擦性能的重要因素考虑到宏观颗粒的剪切过程中。
其次,针对颗粒介质材料微物性测试需要设计了一套制样方案,在此基础上进行了纳米压痕和纳米划痕试验。为了考察摩擦副材质对摩擦性能的影响,自制了与基体材料相同的压头。结果表明,微观尺度下载荷对颗粒间的摩擦系数将产生较大影响。此外,摩擦副中接触对的材料特性也是一个不可忽视的影响因素。
最后,鉴于颗粒物质的多尺度研究尚处于起步阶段、发展还不完善,结合颗粒物质研究中相关理论成果分析了颗粒物质多尺度结构的基本特征,介绍了目前围绕颗粒物质力学特性进行的跨尺度关联研究方法,以期为探索颗粒物质宏观与微观力学行为的内在联系提供新的途径和思路。
通过本课题的工作,对颗粒物质宏、微观摩擦行为的内在机理以及摩擦性能的影响因素形成了初步认识,为搭接起从宏观到微观的多尺度研究路线、逐步建立起二者之间的关联提供了基础,对进一步完善颗粒物质力学的框架体系具有积极作用。