磁电纳米复合材料与结构的波动特性研究

The magnetoelectric (ME) composites are a class of new functional materials consisting of piezoelectric media and piezomagnetic (magnetostrictive) media. Such composites have novel and superior ME coupling effect, which provides potential and wide applications for sensors, transducers, signal processors and microelectromechanical system (MEMS). From the view of material scale, ME composites can be divided into two types: bulk materials and nanomaterials. Compared with ME bulk composites, the ME effect of ME nanocomposites can easily be controlled an adjusted at nanoscale dimensions, and miniaturization of potential ME devices can be achieved. In this project, the wave motion problems for three typical ME nanocomposites/structures will be studied by developing surface/interface elastic theory. The main constants are as follows: (a) scattering behaviors of coupled waves in inclusion-matrix composites; (b) wave band gaps of two dimensional piezoelectric/piezomagnetic phononic crystals; (c) propagation properties of guided waves in layered ME nanostructures. The objective of this project is to reveal the influences of nanoscale dimensions, constituent properties, structure geometry and piezoelectric/piezomagnetic effects on the scattering and propagation behaviors of coupled waves in ME nanocomposites. The completion of this project is expected to gain a better understanding of wave phenomenon in ME nanocomposites and provide a theoretical basis for application of ME devices.

磁电复合材料是由压电相和压磁（磁致伸缩）相按一定方式复合而成的新型功能材料，凭借其新颖和良好的磁电耦合效应，在传感、换能、信号处理和微机电系统等领域呈现出潜在的应用前景。按照材料的尺度，磁电复合材料可分为块体材料和纳米材料。与磁电块体复合材料相比，磁电纳米复合材料更易于实现磁电转换的调控，且能满足工程对磁电器件的微型化要求。本项目通过发展表面/界面弹性理论，拟对几种典型的磁电纳米复合材料的波动问题进行研究，主要内容包括：夹杂-基体纳米复合材料中耦合波的散射特性；二维纳米压电-压磁声子晶体的带隙结构；层状纳米结构中导波的传播规律。通过对上述问题的研究，期望得到纳米尺度下磁电复合材料的波动特性与组分材料性能、结构形式以及压电和压磁效应等之间的关联程度，加深对这类新材料波动现象的理解和认识，同时为工程应用提供理论支持，具有重要的科学意义和实际价值。

由压电和压磁材料复合而成的磁电材料，按照尺度可分为块体材料和纳米材料两类。与块体磁电复合材料相比，在微纳磁电器件的应用中，磁电纳米复合材料易于实现磁电能量之间的相互转换和调控，另外，这类材料的磁电转换和相关器件的功能通常是通过波动和振动形式实现的。因此，研究微纳尺度下磁电复合材料结构的波动特性具有重要的学术价值和应用背景。本项目研究了几种典型磁电复合材料中弹性波传播与散射行为的尺度相关性，同时对压电纳米结构的波动、振动和稳定性等问题进行了研究。主要结果包括：（a）获得了磁电弹简谐波作用下纳米夹杂复合材料的动态耦合场，加深了对磁电转换效应的理解；（b）界面能导致压电-压磁双材料中的SH界面波总是存在的，而且是頻散的；（c）表面弹性和压电常数提高了纳米压电薄膜-压磁基底结构中一阶模态的相速度，而表面压电性降低了一阶模态的相速度；（d）得到了纳米压电-压磁周期层状结构中SH波的頻散性能，结果表明积分形式的非局部理论与考虑界面效应的微分形式非局部理论是等效的；（e）揭示了纳米压电-压磁层状结构中Lamb波的尺度相关性，发现纳尺度下Lamb波的能带增多和变窄，而且出现截止频率；（f）得到了表面弹性、压电和介电常数以及外加电场对压电纳米壳非线性振动固有频率和临界屈曲载荷的影响规律。项目取得的成果可为磁电纳米复合材料和压电纳米材料在声波和微波等领域的应用提供有价值的理论参考，同时丰富了波动力学的研究成果。