实验室1篇学位论文入选全国优秀博士学位论文提名论文

   8月3日,教育部学位管理与研究生教育司公布了2012年全国优秀博士学位论文评选结果,并进入为期60天的异议期。实验室主任周又和教授指导的博士研究生雍华东副教授的学位论文“若干先进电磁材料结构的断裂与稳定性等力学特性的理论研究”入选全国优秀博士学位论文提名论文,这是继2010年周又和教授指导的博士研究生张兴义教授学位论文入选全国优秀博士学位论文以来,在高水平人才培养方面取得的又一标志形成果,充分显示了实验室的人才培养水平和培养质量。
  超导、电磁弹性和电场活化聚合物等先进电磁材料及结构的制备及应用研究已被物理、材料、力学、工程等众多领域学者所关注。在电磁场作用下的力学特征研究是这些先进材料及结构的功能性设计或安全性设计中的关键基础性课题之一。雍华东副教授的博士学位论文主要针对以超导材料为主的若干先进电磁材料及结构的断裂、力电耦合和稳定性等力学特性开展基础理论分析研究。其主要成果的创新点如下:
  1)揭示出高温超导块材磁化特性对应力分布的影响规律和增强超导块材磁致伸缩效应的掺杂优化途径。针对磁场作用下高温超导块材内部的力学行为,借助于临界态模型和线弹性力学的理论,研究了受电磁力作用时材料内部的应力分布,发现应力峰值的位置与磁化过程相关联,定量给出了磁化过程对应力分布的影响规律。对于电磁场分布与超导块材有较大区别的超导带材,分析了电流在超导带材内传输时材料内部的磁致伸缩,首次报道了传输电流变化过程中磁致伸缩的变化规律只是一条曲线而不是一个封闭的环,该性质表明传输电流不同于传统磁场的作用,在传输电流变化过程中磁致伸缩的不可逆行为消失。对于接近工程实际的超导复合材料,采用等效的简化夹杂模型分析了含非超导掺杂的超导复合材料中的力学行为,定量给出了其超导复合材料的磁致伸缩特性随掺杂材料方位的变化规律,从而给出了提高磁致伸缩的优化掺杂参数。
  2)实现了对超导块材和薄膜材料裂纹或断裂特性的定量研究。针对超导材料中的电-磁-力相互耦合的裂纹或断裂问题,建立了分析电磁力作用下高温超导体中断裂行为的理论模型,在此基础上,提出了将电磁体力等效为面力的方法,实现了其定量研究。在给出无限长超导矩形等块材中断裂特性的同时,发现裂纹对超导体俘获磁场具有限制作用。对于超导圆柱中裂纹的应力强度因子,还发现了两个影响裂纹应力强度因子的关键因素,即洛伦兹力和裂纹长度。针对超导薄膜基底结构中的裂纹问题,提出了将薄膜基底结构分解为两个材料的叠加方法,实现了这类结构界面裂纹断裂特征的定量研究。在此基础上,定量给出了含椭圆孔的超导块材中的断裂力学特性。
   3)建立了超导力-电耦合本构关系的理论研究途径。超导临界电流与变形之间的非线性耦合在超导材料进入使用阶段就已被实验得知,其复杂特性的机制一直没有理论途径给予揭示。针对这一问题,本博士论文借助于Ginzburg-Landau自由能在考虑超导材料变形能的修正后,建立了一含结构变形与描述超导特征相互耦合的修正Ginzburg-Landau方程和力学变形方程,从而可实现反应超导特征量与力学变形特征量非线性耦合本构关系的理论框架与途径。对于超导弱磁场和零场条件下的小变形情形,获得了描述超导电性的波函数随变形特征量变化的近似解析解。在此基础上,定量给出了超导薄膜中临界电流密度随预应变的变化规律及其主要耦合关联参数的解析表征式,所得理论结果与实验结果在定性上一致。
   4)其它电磁智能材料断裂等力学特性的研究。(a)针对智能软物质材料中的电场活化聚合物的力-电相互作用的稳定性问题,基于各向异性有限变形理论和非线性电介质的场理论,解决了横观各向同性电场活化聚合物中的Pull-in不稳定性和分叉稳定性问题,发现各向异性参数能增强电场活化聚合物中的稳定性特性。另外,对厚壁球壳电场活化聚合物在外力和电场作用下非线性动态响应的研究结果发现:球壳在不同载荷作用下,分别经历了周期振动和非线性的准周期振动。(b)针对功能梯度材料、电弹条带材料的静态与动态反平面裂纹问题,定量给出了材料参数、电场和磁场对其断裂行为的影响。
  在完成博士学位论文期间及之后,雍华东副教授已发表SCI收录学术论文20余篇,主持国家自然科学基金项目1项、高校博士点专项基金1项,是国家创新研究群体项目与国家自然科学基金重点项目的骨干成员。