《層狀磁電複合材料界面裂紋的動態斷裂》是依託石家莊鐵道大學，由劉金喜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：層狀磁電複合材料界面裂紋的動態斷裂
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉金喜
- 依託單位：石家莊鐵道大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由壓電層和壓磁層複合而成的層狀磁電材料，具有磁電轉換效率高和易於製作等優點，在感測、換能和聲波領域呈現出廣泛的套用前景。這類材料磁電效應的轉換和相關器件功能的實現與動態載荷密切相關，且其界面易於開裂和失效。因此，本項目擬採用理論分析、數值模擬和實驗相結合的方法，研究平面變形下層狀磁電複合材料界面裂紋的動態斷裂問題，主要內容包括：界面裂紋尖端場的奇異性；界面裂紋與電彈波和磁彈波的相互作用；衝擊載荷作用下界面裂紋的瞬態回響和動態擴展。主要目的是獲得材料性能、電磁邊界條件、幾何尺寸和載荷類型對動態斷裂特性的影響，揭示動態斷裂機理，為層狀磁電複合材料的設計和可靠性分析提供理論基礎，並豐富多場耦合材料斷裂力學的研究內容。
結題摘要
由壓電層和壓磁層複合而成的層狀結構是磁電複合材料的重要形式之一。與顆粒和纖維磁電複合材料相比，其優點是製作工藝簡單，且易於實現磁電轉換，在聲波和微波領域呈現出廣泛的套用前景。這類材料的磁電轉換和相關器件的功能通常是在動態載荷作用下實現的，另外，壓電材料和壓磁材料的脆性導致磁電結構易於發生斷裂和失效。因此，探索磁電層狀材料的動態斷裂行為具有重要的科學意義和套用價值。本項目研究了界面裂紋尖端場的奇異性、波動載荷下界面裂紋的穩態回響、衝擊載荷作用下的瞬態斷裂和動態裂紋擴展。此外，對功能梯度層狀磁電材料的波動特性和納米壓電板中的彈性波傳播進行了研究。主要結果包括：（1）揭示了入射波頻率、結構幾何尺寸、壓電和壓磁材料性能對動態應力強度因子的影響，發現通過選擇材料組合形式以及壓電與壓磁層的厚度比可有效提高結構的抗斷裂能力；（2）建立了平面變形狀態下壓電材料動態裂紋擴展的普適關係，發現力電耦合係數和廣義Rayleigh波速是控制裂紋擴展的重要參數；（3）獲得了功能梯度壓磁層/正交各向異性壓電基底結構中水平剪下波的傳播規律，結果表明可以通過選擇壓電晶體的切割角度實現對彈性波傳播性能的調控；（4）對於壓電納米板中彈性波的傳播，發現表面效應和非局部效應都會使波速降低，且頻率越高，降低的越明顯；非局部效應影響下，納米板越薄，頻帶越窄；對於高階模態，表面效應和非局部效應均會明顯降低其截止頻率。上述研究成果不僅為層狀磁電複合材料的抗斷裂設計以及在聲波和微波等領域的套用提供了有重要參考價值的理論基礎，同時豐富了電磁固體力學的研究成果。
