《壓電納米複合材料中電-彈性耦合波散射機理及其套用》是依託石家莊鐵道大學，由房學謙擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：壓電納米複合材料中電-彈性耦合波散射機理及其套用
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：房學謙
- 依託單位：石家莊鐵道大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
壓電納米複合材料具有納米級的壓電效應，是非常理想的機電耦合材料，廣泛套用於微/納米機電系統，例如納米感測器，執行器，諧振器，和壓電納米馬達等。壓電納米材料經常受到各種類型載荷的衝擊，表面/界面處的應力和電場會導致應力集中，使界面結合強度降低，影響穩定性、可靠性和使用壽命。採用波動理論研究其動態強度，將使納米壓電效應在工程中套用提高到更深層次。通過描述電-彈性耦合波在結構中的傳播和散射問題，可以建立材料在各類複雜載荷下的強度與材料微結構特性的關聯，實現對壓電納米結構的動態強度預報和性能最佳化設計。本項目擬在普通納米材料界面應力模型的基礎上，引入界面處電位移模型，重點研究壓電納米材料中單個和多個夾雜引起的耦合波散射理論，分析界面應力和電位移對結構強度等力學性能的影響，並找出通過最佳化微觀結構提高壓電納米材料結構強度和穩定性的途徑，為新型納米材料的設計和套用提供理論基礎，推動新型智慧型材料力學的發展。
結題摘要
納米壓電材料由於擁有獨特的壓電性和半導體耦合特性，在感測器、制動器和納米力-電系統中的能量收集器中的套用前景廣闊。與巨觀的壓電材料相比，納米壓電材料由於具有較大的表面體積比而呈現出獨特的物理特性。納米結構中的表面/界面對納米壓電材料力-電耦合特性的影響很大。本項目建立了動態力-電耦合界面模型，基於有效場法，詳細研究了不同夾雜形狀、不同界面性能、以及不同載荷頻率情況下，表面/界面效應對納米壓電材料有效特性的影響。主要內容如下： 研究了反平面剪下波在含塗層的納米壓電材料中的多重散射和動態有效特性問題。採用有效場法將隨機分布的夾雜問題簡化為一個夾雜問題。用波函式展開法描述有效介質中的耦合波場，通過滿足表面/界面處的邊界條件確定了模式係數，得到了納米壓電材料動態有效特性的解析解。結果表明隨著塗層的材料特性的變化，表面/界面效應對動態有效特性的影響很大。 基於有效場法，得到了無限大基體中含有高密度納米夾雜的動態有效特性。運用Bessel函式的加法定理得到納米夾雜之間的相互作用。通過數值算例分析了表面/界面材料參數不同時，兩個納米壓電夾雜之間的距離對動態有效特性的影響。同時，還分析了體積份數不同時，表面/界面壓電參數對動態有效特性的影響。 構建了一種含塗層的橢圓納米夾雜模型，預報了含塗層橢圓夾雜的納米壓電材料有效特性。結合廣義自洽法和保角變換得到了有效力-電耦合特性的封閉解。考慮塗層兩側的表面/界面效應以及納米夾雜的形狀對有效特性的影響。從數值結果可以看出隨著內層橢圓長半軸的增大，彈性模量和介電係數增大，而壓電係數呈現不同的現象。 基於電-彈表面/界面理論，解決了含有徑向極化的圓柱形納米夾雜的壓電材料的有效彈性模量問題。通過分離變數法得到了彈性位移和電勢的解析解。通過滿足表面/界面處的邊界條件得到納米壓電材料有效彈性回響。分析結果表明可以通過調整表面/界面的材料參數來增大有效彈性特性。 通過上述一系列研究，建立了用於預報材料巨觀性能的微觀力學模型，研究了納米壓電材料有效特性與內部微結構之間的關聯。對納米壓電材料在外界環境荷載下的強度和壓電回響等服役性能有了更準確的分析，為設計出性能更優的材料結構奠定了理論基礎。
