多层梯度多场耦合纳米复合材料的性能分析及优化设计

为了优化设计多场（磁场、电场和弹性场）耦合纳米复合材料的性能，本项目提出利用功能梯度（FG）界面来代替原多层复合材料中的不连续界面。在处理多层复合材料层间参数不匹配方面，梯度材料是相当有效的，而且能显著增强纳米复合材料的某些性能。该项目拟完成以下三个任务：1) 首先利用分子动力学(MD)研究梯度界面与缺陷的相互作用及其对材料性能的影响；2) 然后推导多层梯度多场耦合纳米复合材料中的各类缺陷格林函数 (Green's functions)并研究缺陷之间以及与梯度界面的相互作用；3) 最后利用遗传算法（GA）来实现多层梯度多场耦合纳米复合材料的优化设计。此项研究的最终目的在于引入梯度界面, 结合跨尺度分析模拟来设计优化此类复合材料的强度和韧性等性能。

由压电相(PE)和压磁相(PM)复合而形成的多铁复合材料具有特殊的多场（力－电－磁）耦合效果，特别是磁电效应，比单相材料高若干个数量级，这种效应为这一类复合材料的工程应用提供了广阔的前景。采用梯度界面可以解决这一类材料复合时界面特性不匹配的问题，使得材料的综合性能更加优良，同时也出现了一些需要深入研究的课题。 本项目以多层梯度多场耦合纳米复合材料为研究对象，主要完成了以下工作：(1)提出了基于格林函数和扩展位移不连续方法的多场耦合材料裂纹缺陷分析方法，并对不同类型的缺陷进行了研究；(2)研究了位错和夹杂对层状多场耦合结构中物理场的影响；(3)多层梯度多场耦合纳米复合材料的性质分析；(4)利用三维向量函数方法，给出了多场耦合层状球结构物理场的求解方法等。本研究利用分子动力学理论对梯度界面特性进行分析，利用二维和三维格林函数对材料的缺陷进行预测，利用优化算法对复合材料的相关参数进行设计，为纳米复合材料结构的设计提供了理论基础。