中国农业大学理学院应用力学系高阳教授团队在破解准晶层合结构“不完美界面”之谜方面取得新进展
文章导读
你正在为准晶层合材料的压痕测试结果与理论预测严重偏差而头疼吗？大多数研究仍沿用晶体材料的老模型，根本忽视了声子‑相位子耦合和界面不完美的双重影响。我们提出一个基于傅里叶‑贝塞尔级数与线性弹簧接口的半解析框架，能够同步捕捉层厚、压深和界面刚度的细微效应，结果显示声子法向刚度竟是主导因素。这套方法或让你在航空航天或精密装备中快速反演材料性能，省去繁琐实验迭代。究竟是哪一步的突破让不完美界面不再是阻碍，你想先知晓吗
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近日，理学院应用力学系高阳教授团队在准晶层合结构接触力学方向取得新进展，在International Journal of Mechanical Sciences（工程技术1区TOP）上发表研究论文《含不完美界面的一维准晶层合板平头压入行为研究》（Flat indentation on one-dimensional quasicrystal laminates with imperfect interfaces）。准晶层合结构在众多工程领域有巨大的应用潜力，但其力学性能表征一直缺乏精准的理论模型。该研究建立了能精确分析此类材料压痕响应的半解析框架，并系统揭示了“不完美界面”的影响，为准晶叠层材料的性能设计与测试奠定了坚实的理论基础。
随着航空航天与精密工程对极端环境材料的需求日益迫切，兼具高强度、耐腐蚀、低摩擦等优异性能的准晶材料成为理想的候选材料。然而，其力学行为由独特的声子场-相位子场耦合效应主导，这使得传统晶体材料的理论模型完全失效。目前，学界尚缺乏能够准确描述和预测这类耦合变形机制、特别是针对层合结构的理论模型。因此，建立能够精确表征其压痕响应的理论框架，成为解锁其工程应用潜力的关键前提。
图1 模型示意与理论框架
本研究建立了一个用于分析一维六方准晶层合结构压痕响应的半解析理论框架（图1），该框架结合了Fourier-Bessel级数矢量函数系统与对偶变量位置方法，并系统地引入了基于线性弹簧模型的不完美界面效应，从而能够精确描述从完美粘结到完全脱粘的界面状态。基于该框架，团队成功求解了带不完美界面的多层准晶结构在轴对称平端刚性圆柱压头作用下的混合边值问题，并系统分析了涂层厚度、压入深度及界面刚度等关键参数对整体力学响应的影响（图2）。研究表明，在众多界面参数中，声子场法向的界面刚度对压痕行为起主导作用，这一成果为解决准晶层合材料的压痕测试与性能反演提供了严格的理论模型。
图2 一维六方准晶层合板平端圆柱压痕的响应分析
中国农业大学为论文第一完成单位，理学院2025级硕士研究生秦子洋为本文第一作者，高阳教授，张亮亮副教授和潘尔年教授为本文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(No. 12272402; No. 12102458)，中央高校基本科研业务费专项资金（No. 2025TC014），中国农业大学教育基金(No. 1101-2412001)的资助。
高阳教授团队致力于损伤力学、复合材料及新型材料研究，围绕三大方向推动理论创新与产业落地。在准晶复合材料与智能结构领域，团队基于多场耦合理论构建精确解体系，破解缺陷演化与解析难题，为材料失效预测提供核心支撑；针对电子装备在极端环境下的应用难题，团队建立多场耦合模型，剖析失效机制，为提升电子系统的环境适应性与可靠性提供关键理论依据；在力学与智慧农业的交叉创新方面，团队利用准周期超结构特性，突破农业装备轻量化瓶颈，助力智慧农业高质量发展。
目前，高阳教授团队已在International Journal of Mechanical Sciences、International Journal of Solids and Structures、Journal of Energy Storage、Composite Structures等国内外著名期刊发表论文百余篇，主持国家自然科学基金等国家级项目多项，成果获国内外院士及知名学者广泛正面评价。在人才培养方面，指导本科生获省部级科研竞赛奖项多项。
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这个模型听起来挺牛的。