有序界面微结构对压电/压磁材料断裂行为的影响研究

Piezoelectric/piezomagnetic interface, as the unique structure of magneto-electro -elastic composites, has an essential effect on magneto-electro-elastic performance and fracture behavior of composites. But, the imperfect theory about interface results in incomplete understandings to the magnetoelectric effect and the fracture behavior of piezoelectric/piezomagnetic composites. The existing knowledge is not sufficient for the optimal design of composites, the accurate prediction of magneto- electric coefficients, and the understanding of the influence of interfacial micro- structures on the fracture behaviors of piezoelectric/piezomagnetic composites.In this proposal, we aim to analyze the effect of the piezoelectric/piezomagnetic interface configuration on magnetoelectric coupling coefficients, and the microstructures of interfaces on the fracture behavior of piezoelectric/piezo- magnetic composites. According to the measurement of magnetoelectric coefficients of composites with various interface configurations, the influence of interface density and distribution on magnetoelectric effects could be summarized. Based on the cause and result effect between interface configuration and magnetoelectric effects, the prediction theory of magnetoelectric effects could be modified by introducing parameters characterizing the density and distribution of interfaces. So, the properties of piezoelectric/piezomagnetic composites with ordered complex interfaces could be accurately deduced by modified prediction theory. Furthermore, the nonlocal effect of interfacial microstructure will be combined with the linear constitutive theory of piezoelectric/piezomagnetic materials. By adopting the deduced property and appropriate boundary conditions, fracture problems of piezo- electric/piezomagnetic materials can be constructed and solved based on the constitutive theory with the nonlocal effect of interfacial microstructures. The analytical results of fracture problems will show the influence of interfacial microstructures on the fracture behavior of piezoelectric/piezomagnetic materials. Based on the developed model, useful guidelines can be expected on improving the constitutive theory of piezoelectric/piezomagnetic composites.

压电/压磁界面作为磁电复合材料的特有微结构对材料的力-电-磁耦合性能及断裂行为具有不可忽视的作用，而目前关于界面分布对复合材料磁电耦合性能及断裂行为的作用规律研究尚不完善，这一方面不利于磁电复合材料结构的优化设计和磁电耦合性能的准确预报，另一方面也阻碍了认识界面等微结构对磁电复合材料断裂行为的影响规律。因此，本项目拟开展压电/压磁界面分布对磁电耦合效应影响规律以及界面微结构对材料断裂行为影响规律的研究。测量含不同界面分布压电/压磁材料的磁电耦合系数，明确界面分布对磁电耦合性能的影响规律，通过引入表征界面密度和空间构型的参数修正磁电耦合预报理论，利用修正后的理论预报具有复杂有序界面分布的压电/压磁材料的性能，进而将界面微结构的长程作用与磁电材料的本构方程进行有机地结合，开展磁电复合材料断裂问题的理论研究，阐明界面微结构对压电/压磁材料断裂行为的作用规律，为完善磁电复合材料的本构模型提供思路。

本项目根据申请书中所计划的研究内容，主要开展了如下工作：.1..研究了1-3型和2-2型压电/压磁复合材料的磁电转换效率。通过实验测试和理论分析结果的比较发现，在相同体积分数的条件下，1-3型磁电复合材料比2-2型磁电复合材料具有较高的磁电转换效率。由于复合材料中缺陷和弱界面的存在，理论预报的结果要高于实测的结果。同时，虽然在一定范围内提高界面密度能够改善磁电转换效率，但是由于小尺寸结构也较容易引起电学边界条件的变化，如电击穿和压电损耗。再者，不同界面形式的压电/压磁材料对于电磁荷载的频率敏感度也不同。.2..研究了共面裂纹在垂直入射平面波作用下的耦合扩展行为。推导了裂尖广义应力强度因子和裂纹扩展能量释放率，数值结果显示，随着裂纹尺度的变化，两个裂纹的扩展呈现两种不同的形式：1）联通成为一个较大裂纹，2）分别独立扩展。同时，当裂纹的尺寸较为狭长时，裂纹的起裂点可以位于裂纹边缘的非中点处。.3..开展了疲劳实验和数值模拟。实验研究了温度和最大/最小载荷比等因素对试件疲劳寿命的影响。修正了疲劳损伤累积公式，编写了单元疲劳损伤累积的子程序，通过对光滑试件和缺口试件的疲劳仿真，以及和实验数据的对比，证明了该模拟方法的可靠性和疲劳寿命预报的正确性。.4..对双轴动载作用下裂纹的扩展行为进行了研究。考虑到压电/压磁材料受到正交的两列平面弹性波作用，推导出了裂纹尖端的应力强度因子、能量释放率和能量密度因子，在大多情况下，三种断裂参数对裂纹起裂的预报是一致的，而能量密度因子除了能预报裂纹的起裂点，还能够预报裂纹的起裂方向。另外，裂纹应力强度因子对于载荷的频率非常敏感。.5..研究了不同频率应力波作用下裂纹的应力强度因子变化。结果显示载荷频率的差异和相位的差异都对裂纹的应力强度因子有显著的影响。.在本项目的资助下，本人及合作者发表SCI收录论文2篇，EI收录论文2篇，另有在审论文2篇。在本项目的执行中，本人收获了很多经验和教训，对后期的科研工作有很好的借鉴作用。