磁电弹多层及功能梯度材料中位错分析与位错动力学基础研究

Due to the coupling effect among elastic,electric and magnetic fields and the energy exchange behavior, magneto-electro-elastic materials have bright appplication and are payed attention. The dislocation defects in these novel materials have great effects on their mechanical and physical behaviors. In this project, we propose to study the unique behavior and effects of dislocations in magneto-electro-elastic materials. First, on the base of the generalized anisotropic elastic theory which includes the coupling effects among elastic, electric, magnetic fields, we will establish the basic equations for three-dimentional dislocations in magneto-electro-elastic materials, and derive the basic formulae suitable for calculation, particularly those in multilayer and functional gradient composites. By developing adequate method, we will then compute and analyze the coupling fields produced by dislocations. Finally,based on the analysis of dislocation fields, we will further establish the theoretical frame and simulation method of dislocation dynamics in megneto-electro-elastic materials. Through this project, we will discover the characteristics of the coupling fields induced by dislocations in magneto-electro-elastic fields, the behavior of dislocations under coupling fields, and the effects of dislocations to the properties of mechanics and physics. The theoretical basis of the research will be useful to the analysis and development of this novel materials and devices with various coupling features.

由于存在着力-电-磁场间的耦合与能量间的转换作用，磁电弹类材料应用前景光明而在近年来受到重视。其中位错缺陷对其力学及物理行为有着重要影响。在本项目中，我们拟对磁电弹类材料中位错特有的行为及其作用进行分析研究。首先以包括力-电-磁场耦合作用的广义各向异性弹性理论为基础，建立起磁电弹耦合介质中三维位错耦合场的基本方程，并推导出相应的适合分析计算的基本公式。特别包括层状非均匀介质中的三维位错耦合场的基本公式。采用合适的算法，对位错形成的耦合场进行计算与分析。然后，在位错场分析基础上，建立起磁电弹介质中三维位错动力学的理论框架与计算模拟方法。通过此项目的分析、研究，将揭示磁电弹材料中位错引起的耦合场的特征、位错在耦合场中的行为及其对材料力学及电、磁等物理性能的影响，为此类功能材料与器件的分析设计，提供理论基础。

具有力-电-磁间两种或多种场耦合的材料这里统称为磁电弹材料。这类材料由于力-电-磁场间具有耦合作用，能量可以在彼此间转换，因而可在智能结构系统中用作关键功能材料，具有光明的应用前景。这类功能材料通常为晶体材料，位错是晶体材料中常见的对力学及物理性能有重要影响的一种线缺陷。在本项目中，我们对磁电弹类材料中位错特有的行为及其作用进行了分析研究。以包括力-电-磁场耦合作用的广义各向异性弹性理论为基础，建立了磁电弹耦合介质中任意形状的三维位错环所引起的耦合场的基本方程。对位错引起的场我们得到了一种线积分形式的分析表达式，并且对几种典型的参数位错曲线，包括椭圆弧及直线位错段，它们所引起的耦合场，推导出了解析表达式。对无限大介质及有平面界面的非均匀介质中的三维位错也进行了研究，对其中的位错段引起的场也得到了解析表达式。发展了合适的计算方法对位错形成的耦合场进行了计算与分析。位错场的分析公式的获得及高精度高效计算方法的建立，为磁电弹介质中三维位错动力学的计算模拟奠定了基础。此项研究取得的主要结果，一是首次得到了各向异性介质中典型参数曲线位错段所引起的耦合场的解析解，此项严格解析解的获得为参数位错动力学的模拟奠定了严格的分析基础；二是首次得到了含界面材料中位错段引起场的严格的解析解，此项解的获得为位错动力学在非均质材料中的模拟奠定了严格的分析基础。通过此项目的研究，揭示了磁电弹材料中位错及界面附近位错引起的耦合场的特征，可为此类功能材料与器件的分析设计，提供理论基础。此项研究对于广义各项异性介质中位错理论及非均质材料中位错理论的发展有重要的理论意义。