21 世纪以来，一系列与深空、深海、深地、深蓝及更快、更健康、更清洁相关的现代工程成为当今社会发展进步的需求和牵引。2021 年5 月28 日，习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会和中国科学技术协会第十次全国代表大会上指出：“现代工程和技术科学是科学原理和产业发展、工程研制之间不可缺少的桥梁，在现代科学技术体系中发挥着关键作用。要大力加强多学科融合的现代工程和技术科学研究，带动基础科学和工程技术发展，形成完整的现代科学技术体系。” 

这些现代工程与深空、深海、深地、深蓝的开发及更快、更健康、更清洁的需求相关，涉及物性更加极端的新材料、工况更加极端的服役环境、尺度更加极端的工程结构，产生了相当广泛的一类极端力学问题。此类问题往往使得连续介质力学的前提假设和公理定律不再完全适用，往往不能依靠现有理论和方法的简单外推，亟须发展新的基础理论、实验技术和计算方法。因此，极端力学的发展将有力促进力学学科带动其他基础科学和相关工程技术发展、持续发挥力学学科基础科学的引领和技术学科的支撑作用。

极端力学的定义与内涵

根据《辞海》的定义，“极端”包含“事物发展所达到的顶点”、“超过正常的表现和状态”和“非常”等含义，其中“非常”对应英文的extreme较为贴切。所谓非常，即不是常规，非常规。按照力学在19 世纪与物理学在研究对象尺度划分的说法，“常规”是指尺度大致与人的尺度相当、基本物理量是人类可直接观测的程度。那么，“非常规”就可以定义为基本物理量接近或超出人类可直接观测的程度。

“力学”的经典定义是：研究物体机械运动规律及其应用的科学。其中的物体，既包括自然中的空气、水和岩石等，又包括人工的液体、材料和结构等；而机械运动则包括变形、材料和结构的振动、损伤和破坏等。比较全面的定义则是：力学是关于力、运动及其关系的科学；力学研究介质运动、变形、流动的宏微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学过程的相互作用。通过把“极端”和“力学”的定义简单结合，可暂将“极端力学”定义为“研究物质在极端服役条件下的极端性能和响应规律的科学”。

基于极端力学的定义，以力学最为关心的“物质”和“运动”这两个量作为评判，可以明确极端力学的研究范畴。“物质”可以用“密度”和“温度”来进行分类。经典力学涉及的人类居住生活的常规环境的温度大致是10～1000 K，而密度大致是10-4～100 g/cm3。在这个范围外，有极端低温和极端高温，有极端真空和极端高密物质，以及等离子体和温稠密物质等，其中某些物质的力学特性有可能超出经典牛顿力学适用的范围。“运动”可以用“质量”和“时间”来进行分类。常规力学问题所研究物质的质量大致在10-4～104kg、所研究的时间尺度大致在10-2～104 s 的范围；随着力学研究的发展和深入，力学研究所涉及的对象已拓展到生命体、自然灾害、爆炸冲击及工业界最近提出的极端制造等，其质量和时间尺度已经超出传统力学问题的研究范围，促进了一些新力学问题的产生。这些问题可以归纳到“极端力学”的研究范畴。

另外，根据极端力学问题的特点，也可以将其大致分为研究对象的极端性（包括具有超硬/超软/超延展等物理特性、超大/超小的特征尺寸、超敏感的反应特性及超致密/超稀薄的空间分布）和外部环境的极端性（包括超高温、超低温、超大温差，超强磁场、超高载流强度、超快加载速率，以及台风、沙尘暴、冰雨等极端天气）。事实上，在研究对象的物性及其服役环境具有极端性的情况下，其力学行为可能不再服从经典连续介质力学的基本假设（或不再属于其公理体系所能覆盖的范围），这要求必须重建理论框架并发展相应的实验技术和计算方法，甚至创生全新的研究范式，才能使极端力学研究建立在坚实的科学基础之上并真正有所突破。

极端力学的研究现状与挑战

作为一个新生学科方向，极端力学的挑战也对应于科学的前沿，具体包括两个方面，即研究对象的极端性和载荷环境的极端性。研究对象的极端性包括：超硬、超软和超延展等力学特性，超大、超小和超敏感，超密、超稀和超常规等几何和物理特性。载荷环境的极端性包括：超高温、超低温和超温差，超强场、超载流和超速率等极端物理环境，以及台风、沙尘暴、冰雨等极端自然环境。

1.研究对象的极端性

1）超硬、超软和超延展

以金刚石为典型代表的超硬材料主要用于机械加工、地质勘探、石油和天然气开采等工程领域，如何协同提高超硬材料的硬度和韧性一直是力学家和材料学家面临的重要挑战之一。德国多特蒙德工业大学的学者于2013 年在《自然》（Nature）发文报道了维氏硬度超过100 GPa 的材料；燕山大学通过纳米孪晶增韧、叠层复合增韧和相变增韧的协同设计理念，制备得到维氏硬度达200 GPa 的金刚石复合材料，且将断裂韧性提高到与硬质合金相当的水平。对于这类材料，如何阐明其硬度和韧性性能与材料微观结构的关联性，如何完善现有的力学性能预测理论实现对其性能的准确预测和设计，仍亟待研究。另外，这些材料在实际服役中面临着高速切削及其产生的高温等复杂的载荷环境，然而其超高的硬度和断裂韧性，给力学性能和失效机理的表征分析、本构和强度理论的建立也带来了极大的挑战，是一个研究难点。

超软材料（如水凝胶）在生物医用、电子皮肤、柔性机器人等现代科技领域中具有潜在的应用价值，模量可低至几百千帕，在极小的外力作用下即可变形。常规水凝胶拉伸性一般为其原始长度的几倍，并且断裂能量小于100 J/m2，无法满足生物材料、软体机器人和可穿戴设备的要求（λ > 10）。哈佛大学针对水凝胶的极端力学行为做了诸多开创性的工作，实现了其韧性、粘接和疲劳等性能的突破，为水凝胶的工程应用奠定了基础。对于水凝胶类软材料，其固液多相特性，导致其对界面性能和外部物理化学场极其敏感，且存在着溶胀导致的性能退化，因此如何发展合适的本构模型描述水凝胶的耦合变形和扩散行为，如何在传统的连续介质力学中耦合化学场、电场等外场因素，以描述材料对于多种刺激（如光照、温度、pH 值、电场、磁场等）引起的大变形，是目前的主要挑战。

此外，还有具有超延展性的强力纤维及其所制成的织物、传感器等结构，以及高强自愈合的弹性体。该类材料或结构的主要性能优势在于其极强的变形能力和变形的可恢复性。主要研究挑战在于提高弹性变形能力（目前部分工作能实现λ > 20），且在保证弹性变形能力的同时提高模量和强度、循环寿命和变形可恢复能力；揭示材料力学性能与组分的相关性以实现对性能的调控，建立超大变形强非线性本构模型和多场耦合计算模型，以实现结构宏观响应的预测与优化设计；此外，针对实际工程应用对循环寿命的要求，针对该类材料延展能力的可持续性及其力学机理的研究，也是一大难点。

2）超大、超小和超敏感

超大尺寸结构［如天文望远镜、空间太阳能电站（SSPS）、摩天大楼等］的力学响应极为复杂，与常规尺寸结构相比，往往具有更显著的非线性和环境因素敏感性。以空间太阳能电站为例，其展开长度可以长达15 km，超大的空间力矩会引起系统的姿—轨—柔—控—环境耦合响应，超出了常规控制方法的能力；而实际的运行对其服役时长和在轨高姿态精度均有非常高的要求。因此，针对该类结构，需要发展高维非线性系统长时间、高精度、保结构的数值方法，复杂桁架的等效连续体方法等动力学理论与控制方法。

超小的极端力学问题的主要挑战在于建立微纳物质结构特性与宏观力学性能的相关性，代表性例子包括微管道表面稳定液膜实现防污功能、通过具有高度可调结构梯度的梯度纳米孪晶结构实现金属强度和硬度的同步提升。布朗大学和中国科学院金属研究所合作研究发现，通过对晶粒内部位错分布和结构梯度的调控能实现金属材料刚度、强度和韧性的协同提升，为改善金属材料的力学性能指明了路径，促进了新一代高强度高延展性金属的不断涌现。然而，如何有效利用试验数据规律，发展准确可靠的多物理场多尺度仿真分析方法，以支撑性能的优化设计，也是该领域的一大热点。

一些物质对载荷环境或力学响应极为敏感。例如，微重力会导致细胞骨架重塑，因此细胞对微重力非常敏感，失重24 h 后，细胞硬度和黏度会显著下降。揭示该类环境对生物体和细胞力学响应的影响机制，建立相应的本构及多场耦合力学模型，对评估人体在极限环境下的生存能力具有重要意义。超导材料对应变也极为敏感：超导态是在给定条件下才能实现的，包括临界温度、临界磁场和电流强度等因素，这些因素的耦合效应可形成一个表征超导性能的包络面。前期研究发现，超导材料的临界电流密度、临界磁场强度和临界转变温度均与应变有一定的相关性，而如何描述和表征这些敏感性则是当前研究的主要挑战之一。

3）超密、超稀和超常规

研究对象的极端性，还包括超密、超稀、超常规。超密态可达1 万倍的固体密度，高空中稀薄气体的密度则远低于地面，超常规则指刚度可调、负刚度等超材料结构；在这些状态下，物质的力学行为会与常规状态有很大的差别。稀薄气体动力学对于火箭、卫星和航天飞机的研制具有重要的理论支撑作用，由于气体分子显著的离散特性，连续介质假设和纳维—斯托克斯方程（Navier-Stokes equation，N-S 方程）不再适用，而需要借助分子动理论和原子分子物理进行研究。

超材料是目前国际研究的热点，早期的超材料主要是电磁超材料，后来发展到声学、弹性超材料，一直到最近比较热门的力学/机械超材料。通过对微结构的调控，可以实现对声学、超声到热频率范围（赫兹到太赫兹）的多物理场控制。两个代表性的研究工作是北京理工大学设计实现了弹性波的负折射现象并且进行了实验验证；美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）通过超材料与智能结构的结合，实现了结构的主动自适应性变形，并应用于可变形机翼。最近，物理学科的专家们正在探索将光子和电子结合起来制造新材料。随着现代工业向着极端条件的进一步发展，超密、超稀、超常规等特性在实际工程中将得到越来越多的关注。而在这个过程中，需要力学家们针对相关力学问题开展研究，揭示其力学规律，为工程师们提供理论指导。

2.载荷环境的极端性

1）超高温、超低温和超温差

材料和结构在高温条件下的力学行为与常温显著不同，无论是从科学还是从技术的角度都具有重要研究价值。航空发动机高温段的运行环境温度可达1600 ℃，高超声速飞行器对防热结构的耐温需求也越来越高。在耐高温性能方面，美国陆军研究实验室运用纳米调控技术将金属材料的高温蠕变性能提高了6～8 个数量级，将镍基高温合金的应变失效耐高温温度提高了100 ℃ ；美国和意大利学者还研究了三维碳纳米管的高温力学行为及陶瓷材料在2100 ℃的强度。国内北京理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学等单位在材料和结构的高温力学行为方面也做了很多工作，其中北京理工大学研究显示实验中超高温陶瓷断裂时最高温度可达到2300 ℃。

除了超高温，超低温和超温差服役环境也带来了一系列极端力学问题。例如，有的超导材料需要在不高于-269 ℃的超低温条件下运行，液氢燃料贮箱及工作系统使用温度不应高于-253 ℃，太空结构运行环境的温度范围为± 200 ℃。“觅音计划”中望远镜的支撑系统在高空要长期高稳定地运行，这些结构在温差± 200 ℃环境下的变形、运动、振动等力学行为极为复杂。在超导材料低温力学行为方面，兰州大学实现了超导材料常温、低温及载流状态下脱层强度的精确测试，指导了超导装置的工程设计。

针对超高温、超低温和超温差环境下材料与结构的力学特性研究，首先需要发展可重现实际服役温度环境的加载技术和高精度的测量方法，准确表征样品的变形和损伤失效特性，为理论、仿真和设计提供必要的数据支撑；在先进的试验和数值技术的基础上，进一步发展能够描述极端温度环境下本构和失效行为的“多场、多尺度”建模、分析和优化方法，并开展材料概率寿命预测和损伤容限分析，可以促进极端服役温度环境下材料与结构技术的提升。

2）超强场、超载流和超速率

超强场和超载流包括超强重力场、强磁场、极大电流、强辐照场等。超重力主要对应深海、深地等高压环境和超高速旋转下的离心加速度，相关问题包括超重力环境下材料的损伤与制备、生命体的反应机制等。强辐照会对材料的力学行为造成明显的影响，导致材料脆化、肿胀和生长，进而产生一些与传统力学不太相同的新现象，对核聚变堆的安全可靠性至关重要。北京大学、浙江大学、中国工程物理研究院、华中科技大学等在这一方向开展了大量的研究。

超速率包括爆炸、高应变率、高超声速等载荷工况，相关的研究难点包括裂纹扩展速度的测量、动态断裂和金属绝热剪切机理等，以及各类原位动态测试平台和测量技术的开发。冲击防护技术和装备的开发一直是世界各国争相竞争的领域。高超声速是近些年的热点问题，以复杂流场相关问题作为例子，相关的研究包括俄罗斯科学院开展的跨尺度仿真模拟，平均自由程从10-8m（海平面）到0.1 m（100 km 高）；美国俄亥俄州立大学提出的多场耦合架构和数据传递方法体系；中国空气动力研究与发展中心开展的高温多场耦合分析，返回舱绕流的最高温度超过10 000 K，表面温度超过3000 K；西安电子科技大学针对高速飞行中通信黑障问题，通过电磁场调控可以降低局部等离子体。

针对这些极端载荷情况，如何测量和表征材料或结构的力学响应和失效机制，从试验和测量技术上来说尚有待突破。例如，材料在强磁场中磁化所产生的力，还没有合适的物理模型可以进行描述。因此，亟须发展强电磁场耦合力学试验技术，先从现象上有所拓展认识，再促进理论模型的发展。

3）极端自然环境

极端自然环境包括台风、海啸、沙尘暴和冰雨等。这些极端的自然环境对飞行器、风电、船舶等工程装备的安全是极大的威胁，亟须发展有效的理论、试验和计算技术，形成对极端自然环境力学问题的全面认识，并建立系统的安全防护体系。例如，在发生冰雨时，为了预防结冰影响飞行器的服役安全，首先需要研究冰形成的机理，并发展有效的除冰技术或者预防方法；结冰研究的难点之一是水在翼面上的流动具有随机性，会造成溪流的形成和运动的难以预测；针对这一问题，美国爱荷华州立大学开发了一种多传感器超声脉冲技术并应用于水流的三维重构，从而实现对结冰的有效预测。

风沙环境除了影响地区生态，对工程装备的服役性能也有较大的影响。例如，直升机如果在沙漠或海滩起飞，沙子会进入发动机，进而影响发动机的寿命和安全。目前，国内尚缺乏有效的防沙过滤技术，导致直升机的总体寿命较短。海啸的防护和预警事关国民安全，是联合国框架下涉海国家防灾减灾的重要任务。各类海啸的生成与致灾机理，涉及多介质、多组分、多尺度建模理论与方法，尚无统一的数学描述和有效的理论方法，因此亟须开展基础理论研究，掌握多相多尺度散体介质相互作用规律及其耦合机理，发展全生命周期的力学建模方法与理论。

3.小结

通过以上各类极端力学问题的分析，我们可以系统地总结极端力学的特点、困难与挑战。从研究对象来讲，涉及多物质形态、多相、相变；从运动来讲，涉及多种运动形态、多种运动状态；载荷环境包括强电磁场、超强重力场、强辐照场等；从时间空间来讲，具有多尺度、复杂特性。极端力学的本构理论，往往具有多场强耦合、多重非线性、高速率、高应变率等多样化关系，以及各效应的相互耦合作用。极端力学的初始条件具有随机性和初始敏感性等特点，边界条件则涉及复杂多场边界的交互作用。

针对这些挑战，需要在实验技术和测量技术上有所突破，以发现新原理、新现象，形成新方法、新判据和特有装置。在理论和计算方面，需要有新理论、新模型、新算法，进而发现新规律，同时还要提出新方案，并且形成新的有效软件。其中，极端力学的理论包括多物理场耦合力学理论模型、多尺度损伤和失效理论等；在算法方面，包括多尺度计算分析方法、流—固耦合等。特别需要突破相关力学实验技术的瓶颈并研制一批实验装置，以实现对极端环境下力学现象的实验观测和精确表征，为极端力学基础研究提供不可或缺的可靠实验数据。总的来说，极端力学具有比较鲜明的特点，并且有力支撑着各类重大工程装备的发展，需要力学家们给予高度关注。

本文摘编自《中国学科发展战略·极端力学》，中国科学院编，标题和内容有调整。

内容简介极端力学源于力学研究与科技进步的相互促进，是研究物质在极端服役条件下的极端性能和响应规律的科学。本书系统介绍了极端服役环境下的材料与结构力学，极端自然环境力学，极端性能材料，极端时空尺度的力学，极端流动与输运，极端条件的实验与测试，极端力学的基础理论、方法与数值模拟等前沿内容，总结了力学学科的发展现状与存在的主要挑战。本书不仅能够帮助科技工作者了解极端力学的理论基础、核心技术和最新研究进展，而且可以为科技管理部门提供重要的决策参考，同时也是社会公众了解力学学科发展新前沿和新热点的重要读本。

来源：力学科普

编辑：张宇   校对：敖雯菲

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