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具有电子-晶格耦合机制的金属微尺度瞬态热弹性响应的新见解。 (英语) Zbl 1473.74035号

摘要:随着MEMS/NEMS的快速发展和广泛应用,微尺度瞬态热弹性响应变得非常重要。然而,经典傅立叶定律和弹性理论并不能很好地描述这种尺度下的热输运和弹性变形。本文借助广义热力学和电子-晶格导热模型,系统地推导了具有电子-晶格耦合机制的微尺度金属梯度型热弹性理论。在数值上,应用该模型研究了薄带在热冲击下的微观热弹性行为。对于这种瞬态问题,采用拉普拉斯变换方法,首先得到拉普拉斯域的解析解,然后用数值逆拉普拉斯变换方法得到时域的瞬态热弹性响应。结果表明,与经典热弹性理论相比,本模型预测的响应更大,例如:温度更高,应力更大,热影响区域更大。同时,进行了参数研究,以评估应力梯度参数、热流密度梯度参数和弛豫时间对瞬态响应的影响,最后推荐了一种简化的微尺度热弹性。

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74F05型 固体力学中的热效应
74A25型 固体力学中的分子、统计和动力学理论
82B20型 格系统(伊辛、二聚体、波茨等)和平衡统计力学中出现的图上系统
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参考文献:

[1] Aifantis,E.C.,《跨尺度和学科的内部长度梯度(ILG)材料力学》,高级应用。机械。,49, 1-110 (2016)
[2] Al-Nimr,文学硕士。;Kiwan,S.,热损失对微观两步热传导模型的影响,国际热质传递杂志。,44, 1013-1018 (2001) ·Zbl 1121.74349号
[3] Anisimov,S.I。;卡佩利奥维奇,B.L。;佩雷尔曼,T.L.,暴露于超短激光脉冲的金属表面的电子发射,Sov。物理学。JETP,39,375-377(1974)
[4] Biot,M.A.,《热弹性和不可逆热力学》,J.Appl。物理。,27, 240-253 (1956) ·Zbl 0071.41204号
[5] 博斯塔尼,M。;Mohammadi,A.K.,基于修正应变梯度弹性和广义热弹性理论的微束谐振器热弹性阻尼,机械学报。,229, 173-192 (2018) ·Zbl 1381.74066号
[6] Brancik,L.,《MATLAB语言环境中拉普拉斯变换快速数值反演程序》,(第七届MATLAB会议论文集,第99卷(1999),捷克共和国:捷克共和国布拉格),27-39
[7] 曹碧玉(Cao,B.Y.)。;郭振英,声子气体运动方程与非傅里叶热传导,J.Appl。物理。,102,第053503条pp.(2007)
[8] Cattaneo,C.,消除瞬时传播佯谬的热方程形式,Compte Rendus,247431-433(1958)·兹比尔1339.35135
[9] Chan,W.L。;埃弗巴克,R.S。;卡希尔,D.G。;Lagotchev,A.,飞秒激光诱导银熔化动力学,物理学。B版,78,214107(2008)
[10] Chen,J.K。;Beraun,J.E。;格里姆斯,L.E。;Tzou,D.Y.,飞秒激光诱导金属薄膜非平衡变形建模,国际固体结构杂志。,39, 3199-3216 (2002) ·Zbl 1009.74508号
[11] 库诺,S。;Fretigny,C。;Demoustier-Champagne,S.公司。;Nysten,B.,原子力显微镜测量纳米材料机械性能的表面张力效应,物理。B版,69,165410(2004)
[12] Dai,W。;Li,G.,用有限差分法求解超短脉冲激光加热的双层微球中抛物线两步微热传输方程,Numer。方法部分。不同。Equ.、。,22, 1396-1417 (2006) ·Zbl 1109.65073号
[13] Dezfoli,A.R.A。;Adabavazeh,Z.,使用双温度模型对金属中传导传热进行纳米级建模,Can。物理学杂志。,93, 1402-1406 (2015)
[14] Dong,Y。;曹碧玉(Cao,B.Y.)。;Guo,Z.Y.,基于声子气体动力学的硅纳米系统的尺寸依赖热导率,Phys。E低直径。系统。纳米结构。,56, 256-262 (2014)
[15] 杜,G。;杨琼。;陈,F。;Wu,Y。;欧,Y。;卢,Y。;Hou,X.,由时间形状飞秒激光激发的双层金属膜中的超快热化动力学,《国际热质传递杂志》。,87, 341-346 (2015)
[16] 易卜拉希米,F。;Barati,M.R.,基于包含表面和热效应的非局部应变梯度理论的粘弹性非均匀纳米梁的振动分析,机械学报。,228, 1197-1210 (2017) ·Zbl 1383.74033号
[17] Eringen,A.C.,《关于非局部弹性微分方程以及螺位错和表面波的解》,J.Appl。物理。,54, 4703-4710 (1983)
[18] 医学硕士Ezzat。;El-Karamany,A.S。;El Bary,A.A.,具有记忆相关导数的广义热粘弹性,国际机械杂志。科学。,89, 470-475 (2014)
[19] 医学硕士Ezzat。;El Karamany,A.S.,电热弹性中的分数阶理论,欧洲机械杂志。固体。,30, 491-500 (2011) ·Zbl 1278.74036号
[20] 格林,A.E。;Lindsay,K.A.,《热弹性》,J.Elast。,2, 1-7 (1972) ·Zbl 0775.73063号
[21] 格林,A.E。;Naghdi,P.M.,关于弹性固体中的无阻尼热波,J.Therm。强调。,15, 253-264 (1992)
[22] 格林,A.E。;Naghdi,P.M.,《无能量耗散的热弹性》,J.Elast。,31, 189-208 (1993) ·兹比尔0784.73009
[23] 郭毅。;Wang,M.,《声子流体动力学及其在纳米级热传输中的应用》,《物理学》。众议员,595,1-44(2015)
[24] 盖耶,R.A。;Krumhansl,J.A.,线性声子Boltzmann方程的解,物理学。修订版,148765-778(1966)
[25] Hays-Stang,K.J。;Haji-Sheikh,A.,薄膜热传导的统一解决方案,《国际热质传递杂志》。,42, 455-465 (1999) ·Zbl 1004.74025号
[26] Ho,C.Y。;温,M.Y。;陈,B.C。;Tsai,Y.H.,用于分析超短脉冲激光加工纳米金属薄膜的非傅里叶双温度热传导模型,J.Nanosci。纳米技术。,14, 5581-5586 (2014)
[27] Hosseini,S.M.,基于Green-Naghdi理论的MEMS/NEMS梁谐振器中的冲击诱导非局部耦合热弹性分析:考虑小尺度效应的无网格实现,J.Therm。强调。,40, 1134-1151 (2017)
[28] D.伊桑。;Quintanilla,R.,无能量耗散的手征Cosserat热弹性应变梯度理论,J.Math。分析。申请。,437, 1219-1235 (2016) ·Zbl 1331.74049号
[29] Jou,D。;Lebon,G。;Criado-Sancho,M.,具有热滑移流的纳米系统中热传输的变分原理,Phys。E版,82,第031128条pp.(2010)
[30] Kiani,Y。;Eslami,M.R.,基于Lord-Shulman理论的各向同性层的非线性广义热弹性,Eur.J.Mech。A固体。,61, 245-253 (2017) ·Zbl 1406.74181号
[31] Lebon,G。;Jou,D。;Dauby,P.C.,《超越傅里叶热传导定律和热无滑移边界条件》,Phys。莱特。A、 3762842-2846(2012)·Zbl 1266.82062号
[32] Lei,J。;何毅。;Li,Z。;郭,S。;Liu,D.,非局部热弹性对轴向功能梯度纳米梁屈曲的影响,J.Therm。强调。,42, 526-539 (2019)
[33] Lim,C.W。;张,G。;Reddy,J.N.,《高阶非局部弹性和应变梯度理论及其在波传播中的应用》,J.Mech。物理学。固体,78,298-313(2015)·Zbl 1349.74016号
[34] Lord,H.W。;Shulman,Y.,《热弹性的广义动力学理论》,J.Mech。物理学。固体,15299-309(1967)·兹伯利0156.22702
[35] Polizzotto,C.,弹性内的应力梯度与应变梯度本构模型,国际固体结构杂志。,51, 1809-1818 (2014)
[36] Polizzotto,C.,应力梯度弹性理论中的变分公式和额外边界条件,扩展到梁和板模型,国际固体结构杂志。,80, 405-419 (2016)
[37] Pourasghar,A。;Chen,Z.,功能梯度碳纳米管增强圆柱板在热脉冲作用下的双曲线热传导和热弹性解,国际固体结构杂志。,163, 117-129 (2019)
[38] Povstenko,Y.Z.,分数Cattaneo型方程和广义热弹性,J.Therm。强调。,34, 97-114 (2011)
[39] 邱天庆。;Tien,C.L.,金属短脉冲激光加热过程中的传热机制,J.Heat Transf。事务处理。ASME,115835-841(1993)
[40] 萨尔瓦多,M.C。;布朗,I.G。;瓦兹·A·R。;Melo,L.L。;Cattani,M.,纳米结构金和铂薄膜弹性模量的测量,物理。修订版B,67153404(2003)
[41] Sellitto,A。;阿尔瓦雷斯,F.X。;Jou,D.,纳米线中的热力学第二定律和声子边界条件,J.应用。物理。,107,第064302条pp.(2010)
[42] Shaat,M。;Abdelkefi,A.,《关于Eringen非局部理论适用性的新见解》,《国际力学杂志》。科学。,121, 67-75 (2017)
[43] Sherief,H.H。;El-Sayed,文学硕士。;El-Latief,A.M.A.,热弹性分数阶理论,国际固体结构杂志。,47, 269-275 (2010) ·Zbl 1183.74051号
[44] Sobolev,S.L.,《非局部介质中的传递方程》,《国际热质传递杂志》。,37, 2175-2182 (1994) ·Zbl 0926.74007号
[45] Sobolev,S.L.,非局部双温度模型:在超短激光脉冲辐照下金属热传输中的应用,国际热质交换杂志。,94, 138-144 (2016)
[46] Taati,E。;Najafabadi,M.M。;Tabrizi,H.B.,Timoshenko微束的尺寸相关广义热弹性模型,机械学报。,225, 1823-1842 (2014) ·Zbl 1401.74177号
[47] Tzou,D.Y。;Chen,J.K。;Beraun,J.E.,超短脉冲激光在层状介质中诱导的热电子爆炸,国际热质传递杂志。,45, 3369-3382 (2002) ·Zbl 0993.76566号
[48] Vernotte,P.,《热传导连续理论中的悖论》,Compte Rendus,2463154-3155(1958)·Zbl 1341.35086号
[49] 王,Y。;阮,X。;Roy,A.K.,《金属-非金属界面热传输的双温非平衡分子动力学模拟》,Phys。B版,85,205311(2012)
[50] 王义忠。;赞,C。;刘博士。;Zhou,J.Z.,具有温度相关特性的轴对称结构热弹性问题的广义解,Eur.J.Mech。A固体。,76, 346-354 (2019) ·Zbl 1479.74029号
[51] 熊庆林。;田晓光,超短激光加热过程中金属薄膜的热机械相互作用,机械。高级主管。结构。,22, 548-555 (2014)
[52] 杨,F。;Chong,A.C.M。;Lam,医学博士。;Tong,P.,基于耦合应力的弹性应变梯度理论,国际固体结构杂志。,39, 2731-2743 (2002) ·Zbl 1037.74006号
[53] Youssef,H.M.,分数阶广义热弹性理论,J.Heat Transf。事务处理。ASME,132,第061301条pp.(2010)
[54] Yu,Y.J。;胡,W。;田晓刚,基于记忆相关导数的新型广义热弹性模型,国际工程科学杂志。,81, 123-134 (2014) ·Zbl 1423.74253号
[55] Yu,Y.J。;Li,C.L。;薛振南。;Tian,X.G.,《双曲线热传导的困境及其在纳米尺度上结合空间非局部效应的解决》,Phys。莱特。A、 380255-261(2016)
[56] Yu,Y.J。;李S.S。;邓振聪,2n+1阶尺寸相关梁的统一理论:求解功能梯度尺寸效应参数的数学困难,应用。数学。模型。(2019),(修订)
[57] Yu,Y.J。;田晓刚。;Liu,X.R.,使用Eringen的非局部模型的尺寸相关广义热弹性,Eur.J.Mech。A固体。,51, 96-106 (2015) ·Zbl 1406.74186号
[58] Yu,Y.J。;田晓刚。;熊庆林,基于非局部热传导和非局部弹性的非局部热弹性,《欧洲力学杂志》。A固体。,60, 238-253 (2016) ·Zbl 1406.74187号
[59] Yu,Y.J。;薛振南。;Li,C.L。;Tian,X.G.,基于非局部热弹性的非均匀温度下纳米梁的屈曲,Compos。结构。,146, 108-113 (2016)
[60] Yu,Y.J。;薛振南。;Tian,X.G.,用应变率消除不连续性的修正Green-Lindsay热弹性,麦加尼卡,53,2543-2554(2018)·Zbl 1397.74059号
[61] Yu,Y.J。;张凯。;Deng,Z.C.,三种特征长度的屈曲分析具有尺寸依赖的梯度基底,具有变化一致的高阶边界条件,应用。数学。型号。,74, 1-20 (2019) ·Zbl 1481.74220号
[62] Zenkour,A.M。;Abouelregal,A.E。;Alnefaie,K.A。;张,X。;Aifantis,E.C.,具有温度相关热导率的热冲击纳米束的非局部热弹性理论,J.Therm。强调。,38, 1049-1067 (2015)
[63] 周,J。;李,N。;Yang,R.,超短脉冲激光加热后金属膜中非平衡电子和声子传输的电流体动力学模型,欧洲物理。J.B,88,156(2015)
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