多重鐵性復合材料的力、電、磁耦合機理及性能研究.pdf

1、多重鐵性材料是指一類具有鐵電、鐵磁和鐵彈兩者或兩者以上耦合性能的材料，這種材料在外電場下可以誘發(fā)磁極化，在外磁場下也可以誘發(fā)電極化，具有乘積效應的磁電耦合性能。這種奇特的性能為材料和器件的設計增加了自由度，在多場信息存貯與讀寫、無線微波器件、無線傳感網絡和多功能電子器件等方面有很大應用潛力，已成為功能材料領域的研究熱點。
　　具有多重鐵性的單一物質材料在自然界中種類很少，而且多數在極低的溫度下才有較強的磁電耦合效應，而利用鐵電材料

2、的電致伸縮性和磁性材料的磁致伸縮性通過界面之間的彈性耦合制備的復合型多重鐵性材料在室溫下具有較大的磁電耦合效應。由于這種磁電耦合主要來自于兩相之間的彈性耦合，因而，分析兩相界面之間、薄膜與襯底界面之間的彈性相互作用，詳細考慮外電場和外磁場對材料內部應力場的影響，才能合理選擇相互匹配的材料，獲得更大的磁電耦合性能。本文研究了復合型多重鐵性材料的耦合機理，詳細考慮了尺寸效應、表面效應、體積份數、厚度以及各種應力應變對材料性能的影響，同時也關

3、注如何利用這一耦合性能實現一些功能結構材料的多場多自由度調控，最后，對材料的斷裂性能做了初步的分析。以下是本文的主要研究思路、方法和結論：
　　1)基于Landau理論，詳細分析了1-3型納米鐵電鐵磁復合材料中各種應力應變之間的相互作用關系及其對系統(tǒng)自由能的影響。各種應力應變包括鐵電相的電致伸縮應變和鐵磁相的磁致伸縮應變以及兩相界面之間和薄膜與襯底之間由于晶格不匹配產生的錯配應力和由于位錯產生的釋放應力之間的彈性相互作用。建立電極

4、化和磁極化隨時間演化的金茲堡-朗道動力方程，通過分岔理論預測了兩相材料的相變點，利用數值方法給出了穩(wěn)態(tài)時電極化強度和磁極化強度以及兩相中的應變狀態(tài)，并基于 Landau-Khalatnikor方法，數值模擬了耦合場下的電極化強度和磁極化強度的蝶形曲線；
　　2)基于Ginzburg-Landau理論結合Timeshenko彈性力學方法對介電/磁性合金(Ba0.6Sr0.4TiO3/terfenol-D)層狀復合材料的介電性能進行研

5、究。利用外磁場誘發(fā)的磁性合金的磁致伸縮，可以在一定范圍內調節(jié)鈦酸鍶鋇的小場介電性能，而通過改變Ba/Sr成份比例和層厚比可以實現較大范圍內的調控；
　　3)利用磁電耦合效應，設計了鐵電/鐵磁層狀彎曲型驅動器，并用 Hsueh的方法對鐵電/磁性合金層狀復合材料的彎曲性能進行研究。結果表明，由外磁場調控terfenol-D層的磁致伸縮可以調控結構的豎向相對彎曲位移，最高可達55％；
　　4)基于能量的方法，從宏觀尺度研究了鐵磁纖