表面效应下弹性波在纳米压电介质中的传播

With the development of nanoscience and nanotechnology of piezoelectric materials, surface effect will play the significant, even critical role in the mechanical properties and behavior at nanoscale of piezoelectic materials. Research on this aspect is very limited in China and in the world so far. In particular, research on response of cracked piezoelectric materials to dynamic loads with the consideration of surface effect has not been reported in literature till now. Based on the previous work on dynamic and interfacial fracture of piezoelectric materials, reinforcement of piezoelectric z-pin and fracture mechanics analysis of smart-cut technology, the proposed project will systematically carry out the theoretical and numerical investigation on the elastic wave propagation in piezoelectric nano-materials in terms of the theory of surface stress, theory of elastic wave and fracture mechanics of piezoelectric materials. For two types of typical wave-guide structures: multiple piezoelectric nano-layers on semi-infinite elastic substrate and multiple dissimilar piezoelectric nano-layers of finite thickness, research work will study the problems of propagation of anti-plane wave and plane waves in the above two structures, and the problems of wave scattering by the crack and crack growth when interfacial crack exists, focusing on the influence of surface effect. Moreover, the effects of other factors, such as material parameters, geometric configuration and the incident direction of elastic waves, will be examined quantitatively. Reseaerch outcomes are expected to provide useful theoretical reference to the analysis and design of intelligent systems with nanoscale piezoelectric elements as core components, as well as to the proper assessment of performance and service life of intelligent systems containing defects.

随着压电材料纳米科学与技术的发展，表面效应对纳米尺度下压电材料的力学性质和行为将产生重要，甚至是决定性的影响。目前国内外这方面的研究非常有限，尤其对表面效应下压电裂纹体对动态载荷响应的研究至今仍为空白。在以往对压电材料动态界面断裂，压电z-pin增韧，智能切削断裂力学分析的研究基础上，本课题基于表面应力理论、弹性波理论和压电材料断裂力学，对弹性波在纳米压电材料中的传播特性进行系统的理论和数值研究。针对两类典型的波导结构：半无限大弹性基体上多层纳米压电板和多层不同材料纳米压电板，研究工作主要分析反平面波和平面波在结构中的传播以及当界面裂纹存在时，裂纹对波的散射和裂纹的扩展，重点讨论表面效应的影响。对其它因素如材料参数、结构几何尺寸和入射波方向的影响也将加以定量讨论。研究成果将为以纳米压电元件为核心组成部分的智能结构的分析和设计，为含损伤智能结构性能和使用寿命的准确评估提供有用的理论指导。

本项目立足关注微纳尺度下考虑表面效应时材料和结构的力学行为和响应，综合利用表面弹性理论、压电理论和固体力学理论，重点研究了表面效应下纳米层状结构中弹性波的传播。此外，还研究了考虑表面效应或压电效应的短纤维对层板复合材料的增韧，以及微纳尺度下智能切削工艺的分子动力学模拟。主要研究内容包括：.（1）Love波在纳米压电层状结构中的传播.（2）反平面剪切波在两层不同纳米弹性层状结构中的传播.（3）平面波在两层不同纳米弹性层状结构中的传播.（4）考虑表面效应或压电效应的短纤维增韧.（5）智能切削工艺的分子动力学模拟.至今，项目取得了一些重要的研究成果，主要体现在:.（1）Love波在纳米压电层状结构中传播的相速度随着厚度的减小或表面弹性常数的增加而增加。在电短路电场边界条件下，自由表面效应和界面效应将改变Love波在结构中的传播形式。在一阶模态中两者的影响不相同。在二阶模态中两者的影响相同。.（2）提出了一种通过测量层状结构中的波速来求材料表面弹性常数的连续介质方法。对反平面波，给出了波速与自由表面弹性常数和界面弹性常数的解析关系式。对平面波，给出了波速和自由表面弹性常数的解析关系式。.（3）建立了考虑表面效应的I型纤维拔出模型和考虑压电效应的纤维断裂增韧模型，给出了表面弹性常数、压电系数以及其它参数对纤维桥联力和断裂韧性的定量分析结果。.（4）利用分子动力学，模拟了微纳尺度下智能切削工艺中氢离子注入过程和注氢晶片的退火过程，定量讨论了氢离子注入能量、注入剂量、注入温度和退火温度对氢离子的分布和缺陷密度的影响。.本项目的研究一方面补充完善了微纳尺度下多场耦合材料的力学理论研究，尤其是动力学问题的研究。另一方面也为微纳智能器件的应用、纤维增韧技术的优化和控制调节，以及智能切削技术的有效改进提供有益的指导和帮助。