考虑界面效应的压磁颗粒增强复合材料的力磁耦合行为研究

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颗粒增强复合材料由于其.具有较高的比刚度和比强度,在现代工业应用中备受青睐。而当颗粒增强复合材料的各相组分是具有压磁效应磁弹性材料的时候,我们需要研究的就不仅仅是复合体的弹性特性,还包括复合体的压磁特性。也正是由于这种独特的基于弹性-磁性相互作用的耦合效应,压磁性材料在智能制造和主动结构领域受到广泛且持久的关注。具体的应用主要包括:力-磁转换器、磁传感器、应变计、超声波发生器、应力传感器等等。这些精密工业领域的应用需要对弹性变化十分敏感的新型材料。恰巧大多数压磁材料具有优良且灵敏的压磁特性。在探究压磁颗粒增强复合材料的等效磁弹性特性之前,我们还需要从连续介质力学出发,对压磁颗粒增强复合材料的异质体结构弹性场和压磁场分布进行研究。近年来,纳米尺度的颗粒材料发展迅猛,由于其典型的纳米尺度特性,纳米材料能表现出许多新奇的物理效应,这些效应不同于宏观材料,而纳观结构呈现的独特物理特性足以改变材料的宏观性能,这使得对异质结构的研究也从传统的微观尺度逐渐深入到纳观尺度。由于纳米异质体具有非常大的比表面积,异质结构的尺寸效应和表界面效应对压磁性材料的弹性场和压磁场分布的影响不可忽视。想要准确且高效地预测材料的磁弹性场分布,我们需要借助不同的耦合理论来描述材料的磁弹性本构关系。对于上述问题,本文首先研究了考虑界面/界相效应的纳米异质结构的弹性场分布,在得出界面模型和界相模型弹性场解析解的基础上选取Ga As-Al N异质体系,探究了界面和界相弹性以及异质体尺寸对纳米异质结构弹性场分布的影响,同时进一步探究了界面模型和界相模型之间的区别与内在联系。在已知异质结构弹性场分布的前提下,利用顺序耦合理论得出了考虑界面效应的纳米异质结构的压磁场分布解析表达式。通过假设异质结构材料属性进行数值模拟计算,并进一步讨论了界面弹性、尺寸效应以及异质体弹性对压磁场分布的影响。然而顺序耦合方法只适用于弱耦合关系材料,为了克服顺序耦合方法的局限性同时提升耦合模型预测准确性,本文在弹性格林函数的基础上,结合傅里叶变换推导出了磁弹性统一格林函数的积分表达,并验证了磁弹性格林函数及其导数的正确性。通过假设不同的压磁性材料进行数值模拟计算,得到了横观各向同性和各向同性压磁纳米异质结构的磁弹性场分布。最后,本文在得到压磁异质结构磁弹性场分布的基础上,探究了压磁颗粒复合材料在稀疏解法和Mori-Tanaka方法近似下的等效性质,并讨论了磁导率各向同性简化对两种近似方法下的等效性质预测准确性的影响。
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