材料的尺度--国防大学卫振海教授！

摘要

本文讨论了尺度在观察和理解世界中的重要性，特别是时间尺度和空间尺度。介绍了普朗克时间和普朗克长度作为量子世界中最小的时间间隔和长度单位。指出绝对尺度不存在，而相对尺度对于研究问题至关重要。在材料科学中，宏观尺度和微观尺度的定义因研究对象而异，且存在“尺度窗口”概念，即在某尺度范围内材料的性能随尺度变化。卫振海博士提出“材料结构状态集 合理论”，为材料本构理论的发展做出贡献。

正文

 
 

 

 

 

尺度是人们在观察世界时形成的最重要的认识之一。到目前为止，我们对宇宙的认识得到尺度，一个是时间，一个是空间。时间用衡量事物发展的过程，以及过程变化的快慢；空间尺度用衡量空间区域的大小。根据现代物理学的观点，我们所存在的世界是量子化的，并非是连续化的。那么在量子化的这个世界中，时间量子的最小间隔，即普朗克时间，为10E-43秒，没有比这更短的时间存在；对于空间尺度，目前认为最小单位是普朗克长度，这是我们这个世界有意义的最小可测长度。普朗克长度由引力常数、光速和普朗克常数的相对数值决定，它大致等于1.6x10-35米，即1.6x10-33厘米，是一个质子大小的1022分之一。目前认为，宇宙的年龄大约在900亿年，那么宇宙大小也就是大约900亿光年。这些尺度反映了我们对这个世界的认识。实际上，可以认为时间和空间构成的宇宙，或者时空的存在是物质存在的一种形式。如果我们用以上的尺度来研究周围的事物，这种尺度可以认为是一种绝对尺度。

绝对尺度实际上是不存在的，上面讨论的这些尺度也是相比较而来的。最初人们以自身可观察和衡量的标准，来确定相应的尺度。如时间用白天+黑夜一个周期来衡量，长度用我们身体的某一部分，如肘长作为尺的单位。显然基本单位有变化，相应的所谓度量得到数值也会有变化。但这些并不是事物的本质，事物的本质不会随着基本度量的单位变化而变化。而这种不变的因素，或者影响事物本质的因素，往往就是事物尺度之间的相对值。在同一相对数量下，事物可能具有同样的性质特征。由此看到，相对尺度对于研究问题是十分重要的。对于研究材料的性能特征而言，也是如此。所以，在材料领域，所谓的宏观尺度、微观尺度都是相对而言。对于地质尺度上的研究考察对象，其宏观尺度就是地层的尺度，其微观尺度就是反映地层构造特征的尺度。这里的宏观尺度可能在以公里为单位的尺度上，而能反映地层构造的尺度可能也在以为米为单位的尺度上。而如果考察的对象是金属材料，则宏观尺度可能是厘米或毫米，而微观尺度要反映其结构或构造，则可能要在纳米以下。所以，考察的对象不同，所谓的宏观尺度和微观尺度会有很大的差别。

以相对尺度来考察研究不同的对象，宏观尺度和微观尺度不仅仅有量级方面的差别，而且宏观与微观尺度之间的距离也可能不同，而且可能会差别很大，这个距离称为“尺度窗口”。不同的材料进行宏-微观分析，也就是所谓的多尺度分析，除了尺度量级上的差别之外，“尺度窗口”的大小也是需要注意的重要因素。如果以实际考察对象的尺度来分析，这个尺度可能变化很大，对于同一种材料，也可以有不同的考察尺度，这不能反映材料本身的一些基本特性和性质特征。如果以材料的微观尺度为基点，随着考察的尺度的增大，材料的性能特征一般会随之变化，当达到某一数值时，尺度数值虽然增加，但其性能特征等参数不再变化，或变化很小，我们将这一数值定为宏观尺度的下限。微观尺度基点到宏观尺度下限之间，我们就可以定义为这一材料的“尺度窗口”尺度。显然在“尺度窗口”内，材料的性能是随尺度而变化的，实际上这就是我们常见的所谓“尺度效应”。进行一般的材料性能的分析，要区别出“尺度窗口”内的分析和“尺度窗口”外的分析，这是很重要的。

【作者简介】卫振海，博士，博士生导师。长期从事军事设施建设领域的教学和研究工作，主持和负责军队该领域十多项重点项目，获得多项军队等级奖。在岩土工程和材料本构领域进行了大量深入的理论研究工作，提出对解决材料结构性问题具有普遍意义的“材料结构状态集 合理论”。这一理论从完全不同的视角来研究结构性材料和岩土的普遍性质，推动了材料本构理论的发展。