层状磁电复合材料界面裂纹的动态断裂

The layered magnetoelectric (ME) composites consist of piezoelectric layers alternating with piezomagnetic layers. Such composites are easily manufactured and possess superior ME coupling effect, which attract their potential applications in sensors, transducers and acoustic wave devices,and so on. When subjected to dynamic mechanical and electromagnetic loads the ME layered materials easily fail. Therefore it is important that the dynamic fracture of interfacial cracks in ME layered materials be analyzed. Using theoretical, numerical and experimental methods, the dynamic fracture of interfacial cracks in ME layered media under plane deformations will studied in this project. The main contents are as follows：（a） the singular behaviors of the magneto-electro-elastic fields in crack tips; (b) the scattering of electro-elastic and magneto-elastic waves by an interfacial crack; (c) the transient response and dynamic propagation of an interfacial crack under impacts. The objective of this project is to reveal the effects of material properties, electromagnetic boundary conditions on crack surfaces, geometric sizes and load types on dynamic fracture behaviors. The completion of this project will give a better understanding of the dynamic fracture of interfacial cracks and provide a theoretical basis for reliable service lifetime predictions of the ME layered materials and associated components.

由压电层和压磁层复合而成的层状磁电材料，具有磁电转换效率高和易于制作等优点，在传感、换能和声波领域呈现出广泛的应用前景。这类材料磁电效应的转换和相关器件功能的实现与动态载荷密切相关，且其界面易于开裂和失效。因此，本项目拟采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，研究平面变形下层状磁电复合材料界面裂纹的动态断裂问题，主要内容包括：界面裂纹尖端场的奇异性；界面裂纹与电弹波和磁弹波的相互作用；冲击载荷作用下界面裂纹的瞬态响应和动态扩展。主要目的是获得材料性能、电磁边界条件、几何尺寸和载荷类型对动态断裂特性的影响，揭示动态断裂机理，为层状磁电复合材料的设计和可靠性分析提供理论基础，并丰富多场耦合材料断裂力学的研究内容。

由压电层和压磁层复合而成的层状结构是磁电复合材料的重要形式之一。与颗粒和纤维磁电复合材料相比，其优点是制作工艺简单，且易于实现磁电转换，在声波和微波领域呈现出广泛的应用前景。这类材料的磁电转换和相关器件的功能通常是在动态载荷作用下实现的，另外，压电材料和压磁材料的脆性导致磁电结构易于发生断裂和失效。因此，探索磁电层状材料的动态断裂行为具有重要的科学意义和应用价值。本项目研究了界面裂纹尖端场的奇异性、波动载荷下界面裂纹的稳态响应、冲击载荷作用下的瞬态断裂和动态裂纹扩展。此外，对功能梯度层状磁电材料的波动特性和纳米压电板中的弹性波传播进行了研究。主要结果包括：（1）揭示了入射波频率、结构几何尺寸、压电和压磁材料性能对动态应力强度因子的影响，发现通过选择材料组合形式以及压电与压磁层的厚度比可有效提高结构的抗断裂能力；（2）建立了平面变形状态下压电材料动态裂纹扩展的普适关系，发现力电耦合系数和广义Rayleigh波速是控制裂纹扩展的重要参数；（3）获得了功能梯度压磁层/正交各向异性压电基底结构中水平剪切波的传播规律，结果表明可以通过选择压电晶体的切割角度实现对弹性波传播性能的调控；（4）对于压电纳米板中弹性波的传播，发现表面效应和非局部效应都会使波速降低，且频率越高，降低的越明显；非局部效应影响下，纳米板越薄，频带越窄；对于高阶模态，表面效应和非局部效应均会明显降低其截止频率。上述研究成果不仅为层状磁电复合材料的抗断裂设计以及在声波和微波等领域的应用提供了有重要参考价值的理论基础，同时丰富了电磁固体力学的研究成果。