多铁性磁电材料结构的动态多场耦合非线性力学特征及细观机制研究

多铁性磁电功能材料不仅具有铁磁、铁电、铁弹等多重属性，而且还具有由于极化和磁化间的相互耦合而作用产生新的功能与特征，在信息产业、传感器工业及微电机械等领域具有广泛的应用前景。从力学角度对这一新型的多铁性磁电材料结构与器件的非线性多场耦合特征及其力学行为的研究，目前多基于类似于压电压磁模型的线性理论模型，缺乏对磁电复合材料磁电响应系数影响因素和非线性多物理场耦合特征的系统研究。本课题拟结合目前最新的非线性铁磁、铁电及铁弹材料理论模型及其建立方法，建立多铁性磁电复合材料的非线性理论模型；揭示磁电复合材料的细观演化特征；发展对磁电复合材料磁电响应系数和有效材料参数的多尺度表征手段；研究非线性效应、加载条件以及微纳尺度情形下，磁电复合材料的磁电响应系数的影响因素及其尺寸效应；探讨磁电结构与器件在服役过程中独特的非线性多物理场耦合特征和非线性力学行为等。进而为磁电结构与器件的设计与优化提供参考。

该项目主要对多铁性磁电材料的非线性磁电效应及多场耦合力学行为，超磁致伸缩复合材料的有效力学性能表征，磁电功能材料的声子晶体的带隙特征展开了一系列深入的研究。针对层合磁电复合柱壳，在考虑材料非线性特征的基础上，研究了材料非线性特征对磁电系数和磁电响应模式（单，倍频现象）的影响，探讨了磁电层状柱壳在内、外压力作用下的静、动力学特征，揭示了边界约束条件和不同预压力对磁电系数的影响；针对层状磁电复合圆板结构，基于二维非线性超磁致伸缩本构模型，展开了非线性瞬态磁电响应和倍频行为的研究，细致讨论了高频交变磁场,以及直流交变磁场共同作用下的极化电场和磁电系数的瞬态特征, 得到了层状圆形磁电复合结构T-T和C-T响应模式下的磁电系数的解析表达式；揭示了外加磁场幅值、频率以及组分比对该磁电结构的磁电响应特征以及磁电系数的影响，展示了高频磁场作用下磁电系数极值随压电层组分比变化的多峰值现象；基于具有磁滞特征的非线性动态超磁致伸缩本构模型，编制有限元程序，数值研究了层合磁电复合板结构的动态磁滞磁电效应特征；针对不同组合形式的磁电层状复合材料，研究了均匀热场和非均匀热场环境下磁电层状复合材料的力、热、电、磁多场耦合特征等。课题组还展开了对超磁致伸缩复合材料有效性能的表征和功能梯度材料声子晶体、磁电声子晶体带隙特征的研究。考虑了界面相及固化过程中热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响等；研究了功能梯度材料一维声子晶体中弹性波带隙特征；探讨了外加磁场和预应力对一维磁电声子晶体纵波能带结构的影响。通过这些研究，进一步揭示了磁电复合结构磁电系数的影响因素，非线性多场耦合动态响应特征等，对多铁磁电层合结构和器件的设计和性能优化提供有益的理论支持。在基金资助下，课题组还在超导力学，热电材料，石墨烯力电特征等领域展开一系列有益的尝试。分别就超导电缆的多层级力学建模，超导电性与力学行为的相互作用；热电多晶薄膜Seebeck系数的理论预测；电场对石墨烯结构的力学特征以及石墨烯皱褶行为等进行了探讨，并取得较好的进展。 目前在该基金的资助课题已发表学术论文30余篇， 其中SCI论文14篇（含接受2篇），EI论文5篇，国际会议及其他核心论文15篇。