多重铁性复合材料的力、电、磁耦合机理及性能研究.pdf

国内图书分类号: O482 学校代码: 10213 国际图书分类号: 539 密级:公开工学博士学位论文多重铁性复合材料的力、电、磁耦合机理及性能研究 博士研究生: 路晓艳导师: 王彪教授申请学位级别: 工学博士学科、专业: 工程力学所在单位: 哈尔滨工业大学航天学院答辩日期: 2009 年 1 月授予学位单位: 哈尔滨工业大学 Classified Index: O482 : 539 Dissertation for the Doctor Degree in Engineering ELASTIC-ELECTRIC-IC COUPLING MECHANISM AND PROPERTIES OF MULTIFERROIC COMPOSITES Candidate : Lu XiaoYan Supervisor : Prof. Wang Biao Academic Degree Applied for : Doctor of Engineering Speciality : Engineering Mechanics Affiliation : School of Astronautics Date of Defence : Jan. 2009 Degree-Conferring-institution : Harbin Institute of Technology 摘要-I- 摘要多重铁性材料是指一类具有铁电、铁磁和铁弹两者或两者以上耦合性能的材料,这种材料在外电场下可以诱发磁极化,在外磁场下也可以诱发电极化,具有乘积效应的磁电耦合性能。这种奇特的性能为材料和器件的设计增加了自由度, 在多场信息存贮与读写、无线微波器件、无线传感网络和多功能电子器件等方面有很大应用潜力,已成为功能材料领域的研究热点。具有多重铁性的单一物质材料在自然界中种类很少,而且多数在极低的温度下才有较强的磁电耦合效应,而利用铁电材料的电致伸缩性和磁性材料的磁致伸缩性通过界面之间的弹性耦合制备的复合型多重铁性材料在室温下具有较大的磁电耦合效应。由于这种磁电耦合主要来自于两相之间的弹性耦合,因而,分析两相界面之间、薄膜与衬底界面之间的弹性相互作用,详细考虑外电场和外磁场对材料内部应力场的影响,才能合理选择相互匹配的材料,获得更大的磁电耦合性能。本文研究了复合型多重铁性材料的耦合机理,详细考虑了尺寸效应、表面效应、体积份数、厚度以及各种应力应变对材料性能的影响,同时也关注如何利用这一耦合性能实现一些功能结构材料的多场多自由度调控,最后,对材料的断裂性能做了初步的分析。以下是本文的主要研究思路、方法和结论: 1) 基于 Landau 理论,详细分析了 1-3 型纳米铁电铁磁复合材料中各种应力应变之间的相互作用关系及其对系统自由能的影响。各种应力应变包括铁电相的电致伸缩应变和铁磁相的磁致伸缩应变以及两相界面之间和薄膜与衬底之间由于晶格不匹配产生的错配应力和由于位错产生的释放应力之间的弹性相互作用。建立电极化和磁极化随时间演化的金兹堡-朗道动力方程,通过分岔理论预测了两相材料的相变点,利用数值方法给出了稳态时电极化强度和磁极化强度以及两相中的应变状态,并基于 Landau-Khalatnikor 方法,数值模拟了耦合场下的电极化强度和磁极化强度的蝶形曲线; 2) 基于 Ginzburg-Landau 理论结合 Timeshenko 弹性力学方法对介电/ 磁性合金(Ba Sr 3 /terfenol-D) 层状复合材料的介电性能进行研究。利用外磁场诱发的磁性合金的磁致伸缩,可以在一定范围内调节钛酸锶钡的小场介电性能,而通过改变 Ba/Sr 成份比例和层厚比可以实现较大范围内的调控; 3) 利用磁电耦合效应,设计了铁电/ 铁磁层状弯曲型驱动器,并用 Hsueh 的方法对铁电/ 磁性合金层状复合材料的弯曲性能进行研究。结果表明,由外磁场调控 terfenol-D 层的磁致伸缩可以调控结构的竖向相对弯曲位移,最高可达 55 %; 哈尔滨工业大学工学博士学位论文- II - 4) 基于能量的方法,从宏观尺度研究了铁磁纤维增强型铁电基体复合结构的断裂韧性。考虑力、电和磁多场作用下的磁电耦合的性能,得出了关于铁电极化强度和磁极化强度的能量释放密度函数。结构的断裂韧性很大程度上依赖于铁电材料和铁磁材料的极化大小、两相的成份比和界面弹性相互作用。关键词:复合型多重铁性; Ginzburg-Landau 理论;介电常数;弯曲性能;能量释放密度 Abstract -III- Abstra