2013-05-28 | 编辑：文\材料环境部 

曹礼群及其合作者，在复合材料与界面纳米结构热传导问题跨尺度建模与算法研究方面取得进展。相关工作已发表在多尺度领域国际权威刊物SIAM J. Multiscale Modeling and Simulation 上, 并被该刊物推选为“Featured Article”，得到国际同行的关注。

以碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料为代表的先进结构性复合材料具有高强、耐腐蚀、耐高温等优异的物理力学性能，是各类航空、航天飞行器的关键材料。开展相关材料的制备技术、实验检测和性能预测等方面的研究，其重要性是不言而喻的。大量的实验检测结果表明：在宏观复合材料之间存在纳米尺度的界面相，其厚度在几个纳米到几百个纳米不等，而界面相对于复合材料的力、热、电、磁等物理、力学性能有十分重要的影响。例如，由于纳米界面的热阻现象，造成界面附近过高的残余热应力，它是诱导界面处空位、位错、微裂纹等缺陷产生的主要根源之一，这对于研究材料的损伤和破坏有十分重要的科学意义。

材料的物理尺度可粗略地划分为：微观尺度（电子、原子尺度）、介观尺度（分子、纳米器件尺度）、宏观尺度（微米以上结构尺寸）。针对宏观复合材料与界面纳米结构的热传输问题，若采用统一的连续模型（如抛物型方程、C-V模型、双相延滞模型等），物理实验结果表明：已不能准确预测纳米界面处的实际温度；若宏观复合材料结构，均采用精细的分子动力学模型或量子力学第一性原理方法，因计算规模太大，而无法实现。因此，发展可靠的宏微观相耦合的跨尺度模型和高效能算法、突破算法实现中的关键技术，是解决上述问题的必然趋势和最佳选择。

曹礼群等人针对复合材料与界面纳米结构热传导问题，发展了一类分子动力学与连续模型跨尺度耦合模式、分子动力学(MD)与有限元(FEM)耦合算法，编写了相关的计算程序。主要进展有：(1) 实现了纳米结构导热系数等热学参数的分子动力学计算和量子校正；(2) 发展了复合材料和多孔材料周期和随机结构热传导问题连续模型的多尺度算法；（3）提出了一类分子动力学与连续模型的跨尺度关联模式和MD/FEM的耦合算法；(4)实现了三维复合材料和界面纳米结构的MD/FEM计算。