功能梯度磁电复合材料层状结构中的导波分析和应用研究

随着材料科学、加工技术和电子技术的发展，功能梯度磁电复合材料可被作为智能结构和系统中的关键材料，广泛应用于现代科学技术领域。结合功能梯度材料的制备和在基于波传播的磁电器件中的应用，利用幂级数方法求解力电磁耦合的变系数波动方程，分别研究横观各向同性的功能梯度混相磁电复合板和功能梯度层合复合材料结构中各类导波传播特性。通过分析力、电、磁参数梯度变化规律对不同电磁边界条件下功能梯度混相复合材料板中的Lamb波和SH波波动特性，如频散规律，波结构，自由表面质点位移椭圆度和截止频率等的影响；辅以具体实验数据结果分析，为此类材料的超声无损检测提供理论依据。详细讨论材料梯度参数变化和外加场对功能梯度层合复合结构中的导波波动特性的影响，探索提高磁电复合器件性能，如机电耦合系数，磁机耦合系数和磁电效应的新方法。为利用功能梯度磁电复合材料设计高寿命，高性能的磁电器件提供理论依据。

随着材料科学、加工技术和电子技术的发展，功能梯度磁电复合材料可被作为智能结构和系统中的关键材料，广泛应用于现代科学技术领域。结合功能梯度材料的制备和在基于波传播的磁电器件中的应用，本项目研究几类典型梯度压电、压电压磁层状结构中的弹性导波，基于智能材料的弹性动力学基本理论，建立位移函数、电势函数和磁势函数表示的变系数场控制偏微分方程组；采用分离变量法或代入波函数的试探解，将问题简化为变系数常微分方程组的求解问题；运用幂级数方法、坐标变换法或WKB方法求解不同边界条件下的变系数微分方程组；进而得到功能梯度智能材料层状结构中平面应变型导波和水平偏振横向剪切型导波的频散特性；分析了材料梯度参数变化对梯度板中的截止频率的影响；讨论了外加温度场对温度敏感性智能材料层状结构中导波特性的影响。研究结果表明：首先，压电压磁板中，弹性系数和密度沿厚度梯度变化对Lamb波和SH波相速度影响很明显，其他材料参数对相速度影响不显著，但可改变Lamb波和SH波中的低阶模态的频散特性。功能梯度压电压磁半空间中，平面应变型表面波和水平偏振横向剪切波相速度改变量取决于材料参数变化梯度，等效剪切体波波速随深度增大会导致平面应变型表面波和水平偏振横向剪切波频散特性为正常频散，模态增加和机电耦合系数的改变,反之，则为异常频散，且模态减少，即可能无法传播高于一定频率的表面波。再者，功能梯度弹性板、压电板和压电压磁板中Lamb波的截止频率可以近似为两个等差数列的组合；SH波的截止频率可以近似为一等差数列；等差数列的公差与材料参数在厚度上的积分相关。最后，温度对温度敏感性智能材料半层状结构中Rayleigh波的影响主因工作温度，而温度梯度和温度应力对其频散曲线略有影响。本项目研究的成果可为压电压磁材料的超声无损检测和基于磁电材料的高性能表声波器件设计提供理论依据。