21世纪是新技术和新材料飞速发展进步的世纪[1]。随着材料技术、微电子技术、计算机技术的日益发展，功能材料与结构不仅要求其可靠性、安全性，而且希望材料具有一定的主动性或智能性，能根据其周围环境的变化来调整自身的某些参数以适应最优化的要求，如图1.1所示[2-4]。功能材料往往处于力场、电场、磁场、温度场等耦合作用下，并表现出非线性载荷响应[5]。材料在单一场作用下的行为研究已不能满足需求，针对功能材料与结构在多物理场作用下非线性力学行为和有效性质的研究十分重要。
图1.1 功能材料的实际应用
作为功能材料的两种典型代表，铁电材料[6]和石墨烯材料[7]已得到了广泛的应用。然而在具体应用中，单相功能材料往往难以满足实际需求。因此，功能复合材料应运而生，通过将功能材料与基质材料组合在一起以满足实际应用中的需求。
随着电子技术的发展，对高力电转化效率的功能材料提出了需求。铁电材料由于其良好的可调控性以及高力电转化率而受到广泛关注[8]。具体的应用有微机电系统(MEMS)，室温超快转换器以及铁电动态存储器等[6，9，10]。单相铁电体很难达到实际应用标准。为提高铁电元件的使用效率，铁电体在元器件中常常采用多层交叠的方式配置[11]。例如多层共烧制动器，如图1.2所示。因此，铁电功能材料的发展趋势为层状复合材料[12]，其主要特征是层状异质，尺度小，多场耦合[13]。其应用瓶颈与铁电材料在力电多场耦合作用下的劣化行为密切相关[14]。随着铁电材料应用范围的不断扩大，其工作环境也越来越复杂。由铁电材料所构成的元器件往往受到较大量级的力电场加载，触发其非线性力电耦合行为，使其力电学性能发生改变[15]。此外，在传感器和制动器等实际应用中，铁电材料经常处于一个恒定电场中。在这种情况下，铁电体显示出时间相关的电致蠕变行为[1618]。因此，需要建立非线性本构模型，从材料微结构角度解释其时间相关的非线性力电耦合响应，定量地描述铁电材料在不同实际工况下弹性、压电及介电性能的变化。此外，在畴变过程中能够产生由于畴变应变引起的109MPa量级的应力，而其断裂韧性仅为1 MPa·m1/2[14]。高畴变应变与低断裂韧性是制约铁电材料发展的障碍[19]。层状铁电材料在制备过程中往往伴随着裂纹或缺陷的存在[20]，并在使用过程中承受较强的力电载荷作用，在裂纹附近易产生应力及电场集中，使其可靠性问题十分突出[21]。为了改善这一状况，需要大力开展铁电功能复合材料的非线性耦合行为研究与失效分析。(www.xing528.com)
图1.2 铁电复合材料
由于电子工业的急切需求，具有高导电性和介电常数的功能材料受到了广泛的关注[22-24]。高导电性材料可以作为电能的传输介质[25]，同时高导电性还有利于提高功能材料的电磁屏蔽效率[26]。高介电性材料由于能储存大量电能，可以极大地提高电子设备的效率[23，27，28]。在这一联系下，碳基纳米复合材料由于其高导电性和高介电性的特性而受到广泛关注[29]。碳填充物的典型例子包括：碳黑，碳纳米管，石墨烯等。石墨烯在其基础平面内具有极强的导电性[30]。但由于其力学性能的限制，很难将纯的石墨烯材料直接投入到实际应用中，故发展趋势为石墨烯纳米复合材料。典型的例子有rGO/PS纳米复合材料[31]，如图1.3(a)所示。这一类复合材料将聚合物或者金属材料作为基质，石墨烯夹杂均匀分布在基质材料中。此外，还可以采用泡沫结构进一步减轻功能复合材料的重量，以满足轻质性和柔韧性的要求[32]，如图1.3(b)所示。在实际应用中，需要获取石墨烯复合材料的有效力学和电学性质，以进行进一步的功能元器件设计。为了改善这一状况，需要大力发展石墨烯功能复合材料的有效性质分析。
图1.3 石墨烯复合材料
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