第 期 王 栋 等 铁 性 智 能 材 料 的 计 算 机 模 拟 进 展 是 将 三 类 材 料 理 论 模 拟 研 究 分 别 局 限 于 各 自 的 领 域 没 有 形 成 一 个 统 一 的 物 理 基 础 % 限 制 了 三 类 智 能 材 料 高 性 能 化 发 展 任 晓 兵 课 题

第 卷 第 期 年 月!"" #$" 铁 性 智 能 材 料 的 计 算 机 模 拟 进 展 王 栋 王 云 志 李 巨 西 安 交 通 大 学 前 沿 科 学 技 术 研 究 院 金 属 强 度 国 家 重 点 实 验 室 陕 西 西 安 摘 要 形 状 记 忆 合 金 压 电 和 磁 致 伸 缩 三 类 智 能 材 料 具 有 从 序 参 量 到 畴 结 构 到 宏 观 性 质 平 行 的 物 理 性 质 将 三 类 智 能 材 料 作 为 一 个 统 一 体 进 行 研 究 是 目 前 国 际 研 究 趋 势 将 三 类 智 能 材 料 进 行 综 合 探 寻 其 共 同 的 物 理 基 础 以 指 导 新 材 料 开 发 是 如 今 铁 性 智 能 材 料 面 临 的 最 大 挑 战 缺 陷 作 为 重 要 的 改 性 手 段 在 铁 性 智 能 材 料 微 结 构 演 化 相 稳 定 宏 观 性 能 方 面 起 到 重 要 作 用 重 点 介 绍 缺 陷 在 三 类 智 能 材 料 中 的 重 要 作 用 的 理 论 研 究 及 计 算 机 模 拟 的 研 究 进 展 以 及 存 在 的 问 题 为 寻 找 高 性 能 化 铁 性 智 能 材 料 提 供 理 论 方 向 关 键 词 铁 性 智 能 材 料 缺 陷 计 算 机 模 拟 铁 性 玻 璃 准 同 型 相 界 中 图 分 类 号 "' 文 献 标 识 码 文 章 编 号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前 言 形 状 记 忆 合 金 压 电 材 料 以 及 磁 致 伸 缩 材 料 相 对 应 的 序 参 量 应 变 极 化 和 磁 化 响 应 外 场 不 是 简 单 的 线 性 关 系 而 是 呈 现 滞 后 回 线 的 性 质 具 有 这 一 性 质 的 材 料 被 统 称 为 铁 性 材 料 % 具 有 铁 性 性 质 并 且 具 有 感 知 温 度 力 电 磁 等 外 界 环 境 并 产 生 驱 动 的 一 类 功 能 材 料 被 称 为 铁 性 智 能 材 料 三 类 智 能 材 料 以 其 优 异 的 性 能 形 状 记 忆 性 能 压 电 性 能 以 及 磁 致 伸 缩 性 能 广 泛 应 用 于 制 造 业 电 子 工 业 医 学 航 空 航 天 及 国 防 领 域 % 然 而 社 会 的 飞 速 发 展 对 智 能 材 料 的 性 能 提 出 了 前 所 未 有 的 要 求 大 应 变 高 灵 敏 宽 温 域 等 亟 待 发 现 和 研 究 高 性 能 的 智 能 材 料 而 如 何 有 效 地 开 发 新 型 收 稿 日 期 % % 基 金 项 目 科 技 部 计 划 项 目 &' 作 者 简 介 王 栋 年 生 男 博 士 通 信 作 者 李 巨 年 生 男 博 士 生 导 师 智 能 材 料 并 降 低 成 本 是 我 们 面 临 的 重 要 挑 战 计 算 机 硬 件 和 模 拟 软 件 的 发 展 为 通 过 计 算 机 模 拟 来 降 低 材 料 设 计 开 发 成 本 和 提 高 效 率 提 供 了 强 有 力 的 手 段 而 智 能 材 料 相 关 理 论 模 型 的 建 立 为 其 开 发 设 计 提 供 了 基 础 三 类 铁 性 智 能 材 料 的 性 能 都 和 其 体 系 中 存 在 的 相 变 有 关 温 度 力 电 磁 所 诱 发 的 马 氏 体 相 变 铁 电 相 变 磁 性 相 变 分 别 是 形 状 记 忆 合 金 超 弹 性 行 为 压 电 材 料 电 致 应 变 以 及 铁 磁 材 料 磁 致 伸 缩 性 能 的 基 础 因 此 通 过 改 善 三 类 材 料 的 铁 性 相 变 行 为 对 于 开 发 新 型 智 能 材 料 非 常 重 要 作 为 材 料 改 性 的 重 要 手 段 通 过 控 制 材 料 中 缺 陷 的 状 态 来 控 制 三 类 铁 性 智 能 材 料 的 相 变 行 为 并 依 赖 理 论 模 拟 与 实 验 测 量 相 结 合 的 方 法 来 实 现 高 性 能 智 能 材 料 的 设 计 与 开 发 这 是 现 阶 段 铁 性 智 能 材 料 研 究 的 主 要 思 路 作 为 现 代 科 学 重 要 的 研 究 手 段 铁 性 智 能 材 料 的 计 算 机 模 拟 在 降 低 开 发 成 本 提 高 效 率 方 面 起 到 至 关 重 要 作 用 是 铁 性 智 能 材 料 开 发 的 必 要 环 节 而 前 期 的 工 作

第 期 王 栋 等 铁 性 智 能 材 料 的 计 算 机 模 拟 进 展 是 将 三 类 材 料 理 论 模 拟 研 究 分 别 局 限 于 各 自 的 领 域 没 有 形 成 一 个 统 一 的 物 理 基 础 % 限 制 了 三 类 智 能 材 料 高 性 能 化 发 展 任 晓 兵 课 题 组 近 期 做 了 大 量 关 于 统 一 三 类 智 能 材 料 的 实 验 研 究 工 作 % 通 过 考 虑 形 状 记 忆 合 金 压 电 材 料 和 磁 致 伸 缩 材 料 之 间 的 物 理 平 行 性 积 极 探 索 三 类 材 料 的 共 同 物 理 基 础 并 将 创 建 一 门 多 学 科 交 叉 的 新 学 科 铁 性 材 料 学 基 于 这 一 新 的 铁 性 材 料 学 急 需 建 立 三 类 智 能 材 料 统 一 的 物 理 基 础 并 以 此 来 指 导 计 算 机 理 论 模 拟 工 作 简 单 来 说 基 于 三 类 材 料 的 物 理 平 行 性 三 类 材 料 的 相 变 过 程 及 微 结 构 可 以 用 类 似 的 特 征 序 参 量 来 描 述 铁 弹 体 系 中 的 应 变 场 铁 电 体 系 中 的 极 化 场 ' 以 及 铁 磁 体 系 中 的 磁 化 场 % 铁 电 材 料 自 由 能 与 序 参 量 的 关 系 由 式 表 达 图 给 出 了 与 的 关 系 曲 线 B A A) A# ' A, A B ' 图 不 同 温 度 下 的 铁 性 材 料 自 由 能 与 序 参 量 的 关 系 1"*3!,)*4) 3$5)$;#$#:))$2 * 3$)))*)$6,*5)$513)$)* ):;)$#,$)3$3)$14:#)$1#!2 目 前 基 于 三 类 材 料 物 理 性 质 的 平 行 性 铁 性 智 能 材 料 的 高 性 能 化 研 究 主 要 集 中 在 两 个 方 面 铁 性 玻 璃 和 铁 性 材 料 准 同 型 相 界 铁 性 材 料 理 论 研 究 " 铁 性 玻 璃 转 变 的 计 算 机 模 拟 一 般 的 玻 璃 态 指 的 是 热 力 学 非 平 衡 冻 结 无 序 态 原 子 结 构 排 列 失 去 了 周 期 性 在 三 类 铁 性 材 料 形 状 记 忆 合 金 压 电 材 料 和 磁 致 伸 缩 材 料 中 也 会 出 现 类 似 的 无 序 态 铁 性 玻 璃 态 这 种 玻 璃 态 不 同 于 一 般 的 原 子 排 列 无 序 它 是 一 种 序 参 量 的 无 序 态 具 有 广 泛 应 用 的 弛 豫 铁 电 体 就 是 在 压 电 材 料 体 系 中 出 现 的 玻 璃 态 它 是 一 种 无 序 分 布 的 短 程 电 偶 极 子 被 冻 结 的 状 态 % 而 在 铁 磁 材 料 中 也 存 在 着 类 似 的 玻 璃 态 自 旋 玻 璃 ' 态 它 是 局 域 有 序 而 长 程 无 序 的 自 旋 冻 结 态 % 但 是 很 长 时 间 以 来 人 们 并 没 有 发 现 类 似 的 玻 璃 态 存 在 于 形 状 记 忆 合 金 中 任 晓 兵 课 题 组 基 于 三 类 材 料 的 平 行 相 似 性 预 测 并 首 次 发 现 了 形 状 记 忆 合 金 中 的 玻 璃 态 应 变 玻 璃 态 类 似 于 弛 豫 铁 电 体 和 自 旋 玻 璃 应 变 玻 璃 本 质 上 是 体 系 点 阵 应 变 被 冻 结 的 短 程 有 序 长 程 无 序 态 相 比 于 形 状 记 忆 合 金 中 正 常 的 马 氏 体 转 变 典 型 的 一 级 相 变 特 性 应 变 玻 璃 没 有 展 现 明 显 的 宏 观 结 构 变 化 而 是 表 现 出 如 动 态 冻 结 频 率 相 关 和 各 态 遍 历 损 失 等 重 要 的 玻 璃 转 变 特 征 应 变 玻 璃 转 变 可 以 通 过 在 正 常 的 马 氏 体 体 系 中 掺 杂 点 缺 陷 替 代 原 子 或 者 间 隙 原 子 来 获 得 大 量 的 实 验 发 现 应 变 玻 璃 转 变 不 仅 仅 存 在 于 某 个 特 别 的 体 系 中 它 在 形 状 记 忆 合 金 中 具 有 普 遍 存 在 性 % 这 表 明 应 变 玻 璃 转 变 是 形 状 记 忆 合 金 中 的 一 种 基 本 转 变 过 程 并 将 极 大 地 扩 展 形 状 及 合 金 的 相 变 机 制 最 近 的 研 究 表 明 点 缺 陷 在 应 变 玻 璃 转 变 过 程 中 起 到 至 关 重 要 的 作 用 点 缺 陷 的 加 入 改 变 了 体 系 的 相 结 构 的 稳 定 性 并 产 生 了 局 部 畸 变 场 局 部 畸 变 场 的 存 在 阻 碍 了 正 常 马 氏 体 相 变 过 程 并 促 使 形 成 短 程 的 纳 米 马 氏 体 微 畴 即 应 变 玻 璃 结 构 纳 米 级 马 氏 体 微 畴 的 存 在 是 应 变 玻 璃 合 金 中 各 种 奇 异 效 应 的 物 理 基 础 纳 米 微 畴 对 外 力 温 度 的 响 应 及 纳 米 微 畴 之 间 的 互 相 作 用 为 形 状 记 忆 合 金 新 的 性 能 提 供 了 可 能 的 理 论 解 释 而 形 状 记 忆 合 金 中 点 缺 陷 % 应 变 玻 璃 转 变 相 图 的 建 立 ' 描 述 了 应 变 玻 璃 转 变 过 程 以 及 形 状 记 忆 合 金 中 各 种 应 变 态 之 间 的 关 系 对 于 通 过 控 制 点 缺 陷 浓 度 来 改 变 相 变 过 程 提 供 了 可 能 这 些 关 于 广 义 缺 陷 对 应 变 玻 璃 转 变 的 研 究 将 有 利 于 我 们 揭 示 这 类 新 型 玻 璃 转 变 微 观 起 源 和 建 立 全 面 预 测 材 料 物 理 性 能 的 新 理 论 应 变 玻 璃 转 变 不 仅 具 有 重 要 的 基 础 科 学 意 义 其 奇 异 特 性 还 可 能 引 发 全 新 的 智 能 特 性 及 应 用 应 变 玻 璃 转 变 展 示 了 优 异 的 超 弹 性 和 形 状 记 忆 效 应 以 及 内 耗 性 能 为 开 发 新 型 阻 尼 材 料 提 供 了 可 能 % 并 且 有 利 于 我 们 在 更 广 的 范 围 内 研 究 形 状 记 忆 效 应 和 超 弹 性 这 些 性 能 和 应 变 玻 璃 转 变 的 玻 璃 化 冻 结 过 程 密 切 相 关 通 过 耦 合 形 状 记 忆 合 金 的 超 弹 性 行 为 和 形 状 记 忆 效 应 与 玻 璃 化 转 变 过 程 纳 米 微 畴 对 外 加 应 力 的 响 应 可 能 为 应 变 玻 璃 合 金 带 来 新 的 奇 异 性 能 即 可 能 为 开 发 窄 滞 后 宽 温 域 超 弹 性 合 金 提 供 可 能 随 着 应 变 玻 璃 转 变 在 实 验 上 被 发 现 以 及 三 类 铁 性 ' 玻 璃 拥 有 的 巨 大 应 用 潜 力 % 关 于 建 立 三 类 材 料 玻 璃 化 转 变 的 统 一 理 论 机 制 的 研 究 越 来 越 重 要 关 于 铁 性 玻 璃 的 本 质 现 有 的 理 论 模 型 主 要 有 两 类 观 点 铁

第 卷 性 玻 璃 态 是 缺 陷 阻 碍 导 致 体 系 的 长 程 畴 马 氏 体 铁 电 体 以 及 长 程 磁 畴 被 打 破 成 短 程 纳 米 畴 的 状 态 其 本 质 是 长 程 畴 的 短 程 纳 米 化 铁 性 玻 璃 态 是 缺 陷 诱 发 的 一 种 新 的 不 同 于 长 程 畴 的 短 程 序 其 结 构 和 性 质 不 依 赖 于 长 程 畴 的 取 向 和 大 小 关 于 这 两 类 机 制 的 正 确 性 现 在 仍 然 存 在 争 论 因 为 两 种 机 制 都 可 以 解 释 铁 性 玻 璃 中 的 一 些 实 验 现 象 但 是 最 近 实 验 研 究 发 现 在 铁 电 材 料 中 的 弛 豫 铁 电 体 其 实 是 一 种 长 程 铁 电 体 被 打 破 的 短 程 纳 米 畴 结 构 研 究 人 员 通 过 电 滞 回 线 和 高 分 辨 透 射 电 镜 的 观 察 为 观 点 的 正 确 性 提 供 了 坚 实 的 实 验 证 据 这 一 实 验 工 作 极 大 地 刺 激 了 铁 性 玻 璃 转 变 的 理 论 研 究 工 作 并 为 我 们 统 一 铁 性 玻 璃 转 变 的 物 理 机 制 提 供 了 思 路 是 否 在 类 似 的 应 变 玻 璃 和 自 旋 玻 璃 中 我 们 也 可 以 用 同 样 的 机 制 来 解 释 其 本 质 同 时 基 于 理 论 机 制 的 应 变 玻 璃 模 拟 工 作 同 样 解 释 了 应 变 玻 璃 中 的 某 些 现 象 但 是 并 不 能 完 全 解 释 实 验 发 现 的 应 变 玻 璃 转 变 相 变 相 图 ' 而 基 于 机 制 的 相 场 动 力 学 模 拟 不 仅 仅 解 释 了 应 变 玻 璃 转 变 奇 异 性 能 而 且 所 建 立 的 相 变 相 图 与 实 验 结 果 一 致 验 证 了 观 点 的 有 效 性 另 外 为 了 建 立 统 一 的 铁 性 玻 璃 转 变 理 论 模 型 基 于 弛 豫 铁 电 体 的 最 新 实 验 基 础 以 及 铁 性 玻 璃 转 变 的 理 论 机 制 我 们 对 弛 豫 铁 电 体 进 行 了 进 一 步 的 模 拟 模 拟 结 果 可 以 解 释 所 有 实 验 发 现 的 奇 异 现 象 验 证 了 实 验 结 果 如 图 所 示 图 形 状 记 忆 合 金 中 的 应 变 玻 璃 转 变 的 微 观 结 构 演 化 # 及 铁 电 智 能 材 料 中 的 弛 豫 铁 电 体 玻 璃 化 转 变 1"14$2$,4,$#!)9!,1* 32$#1*!#21* 20#;):): $6#!62 # #*5 $)!#$91$131*$#*23$:#1* 1* 3)$)!)4$14:#)$1#!2 建 立 缺 陷 % 铁 性 玻 璃 转 变 的 理 论 模 型 对 于 指 导 我 们 更 加 有 效 的 开 发 和 设 计 新 型 铁 性 玻 璃 材 料 具 有 重 要 的 理 论 意 义 同 时 基 于 建 立 的 缺 陷 % 铁 性 玻 璃 转 变 理 论 模 型 及 耦 合 外 场 温 度 应 力 电 磁 等 将 为 探 寻 铁 性 玻 璃 合 金 奇 异 性 能 的 物 理 本 质 并 最 终 指 导 实 验 开 发 设 计 高 性 能 窄 滞 后 宽 温 域 大 应 变 高 灵 敏 的 铁 性 玻 璃 材 料 作 出 贡 献 虽 然 这 一 模 型 的 建 立 将 为 铁 性 智 能 材 料 的 开 发 与 设 计 提 供 巨 大 的 支 持 但 是 仍 然 面 临 巨 大 的 挑 战 即 如 何 建 立 不 同 体 系 的 定 量 模 型 如 何 获 得 需 要 符 合 实 际 的 输 入 参 数 因 此 需 要 第 一 性 原 理 关 于 缺 陷 状 态 短 程 有 序 度 结 构 转 变 间 的 能 垒 和 速 度 等 计 算 其 将 为 我 们 提 供 切 实 可 信 的 输 入 参 数 为 进 一 步 的 大 尺 度 原 子 模 拟 和 介 观 相 场 动 力 学 模 拟 提 供 基 础 " 准 同 型 相 界 的 计 算 机 模 拟 准 同 型 相 界 >& $;0 $;14>0#2)&,*5#$6 在 材 料 中 普 遍 存 在 并 极 大 地 影 响 材 料 的 各 种 性 能 由 于 成 分 不 同 在 不 同 体 系 的 温 度 % 成 分 相 图 上 随 着 成 分 的 改 变 相 结 构 也 会 发 生 改 变 而 分 离 两 种 相 的 边 界 就 称 为 准 同 型 相 界 % 一 般 来 说 在 这 个 准 同 型 相 界 成 分 下 这 两 种 相 结 构 是 共 存 的 两 相 共 存 可 以 降 低 体 系 的 各 向 异 性 并 进 一 步 可 能 导 致 一 些 优 异 的 性 能 例 如 最 常 见 的 >- 压 电 陶 瓷 在 相 图 上 我 们 很 容 易 看 到 在 室 温 下 在 富 -$ 区 标 记 为 相 也 就 是 三 方 相 而 在 富 1 区 标 记 为 相 也 就 是 四 方 相 那 么 相 和 相 必 将 有 一 个 相 界 线 这 个 相 界 线 就 是 准 同 型 相 界 它 对 应 的 成 分 是 -$1B 而 在 这 一 成 分 下 >- 的 压 电 系 数 最 大 关 于 三 类 智 能 材 料 的 准 同 型 相 界 的 研 究 过 去 主 要 集 中 在 压 电 材 料 中 很 长 时 间 里 在 其 它 智 能 材 料 体 系 中 例 如 形 状 记 忆 合 金 磁 致 伸 缩 材 料 未 见 关 于 准 同 型 相 界 的 报 道 直 到 最 近 依 据 最 新 的 实 验 技 术 研 究 人 员 在 铁 磁 相 变 体 系 中 发 现 了 类 似 的 >& 现 象 并 发 现 磁 >& 附 近 伴 随 着 优 异 的 磁 学 性 能 基 于 压 电 材 料 和 铁 磁 体 系 中 的 >& 现 象 考 虑 三 临 界 点 和 >& 导 致 的 相 失 稳 状 态 可 以 获 得 能 量 输 出 最 大 化 和 耗 散 最 小 化 的 高 性 能 原 理 研 究 相 失 稳 状 态 下 应 变 畴 磁 畴 和 电 畴 的 相 互 关 联 性 阐 明 多 尺 度 微 结 构 单 元 晶 体 取 向 畴 取 向 微 应 力 点 缺 陷 变 化 与 宏 观 性 质 的 关 联 性 建 立 三 类 材 料 统 一 的 成 分 与 序 参 量 耦 合 的 >& 模 型 是 新 型 智 能 材 料 设 计 面 临 的 主 要 课 题 基 于 >& 的 原 理 任 晓 兵 课 题 组 设 计 出 了 高 性 能 的 无 > 压 电 材 料 提 出 了 有 效 提 高 压 电 性 能 的 理 论 对 开 发 高 性 能 无 > 压 电 材 料 指 明 了 重 要 方 向 并 提 供 了 有 效 方 法 该 理 论 表 明 大 压 电 性 能 与 > 并 无 必 要 联 系 锆 钛 酸 铅 只 是 满 足 了 该 理 论 的 要 求 的 一 个 体

第 期 王 栋 等 铁 性 智 能 材 料 的 计 算 机 模 拟 进 展 系 所 有 满 足 该 理 论 要 求 的 体 系 都 可 以 产 生 大 的 压 电 性 基 于 该 理 论 其 研 究 小 组 设 计 开 发 了 一 种 新 的 无 > 压 电 材 料 锆 钛 酸 钡 钙 他 们 的 研 究 结 果 显 示 该 无 > 压 电 材 料 具 有 令 人 惊 异 的 压 电 性 能 压 电 系 数 高 达 ' ;? 这 超 过 了 锆 钛 酸 铅 的 性 能 @ ;? 这 是 多 年 来 无 > 压 电 材 料 的 性 能 首 次 超 越 压 电 材 料 的 经 典 体 系 锆 钛 酸 铅 这 项 成 果 对 无 > 压 电 材 料 的 研 究 开 发 具 有 重 要 意 义 它 不 仅 研 发 出 一 种 可 以 和 锆 钛 酸 铅 相 媲 美 的 对 环 境 无 害 的 压 电 材 料 更 重 要 的 是 指 出 了 开 发 大 压 电 性 能 材 料 的 新 方 法 该 方 法 可 望 导 致 今 后 出 现 更 多 更 好 的 无 > 压 电 材 料 从 而 引 发 长 期 使 用 有 害 的 锆 钛 酸 铅 向 无 > 压 电 材 料 的 变 革 同 时 任 晓 兵 等 人 基 于 相 同 的 思 路 利 用 高 精 密 的 同 步 辐 射 = 实 验 首 次 在 铁 磁 体 系 中 发 现 存 在 一 种 磁 性 准 同 型 相 界 >& 处 于 该 相 界 的 磁 性 磁 性 材 料 成 分 具 有 巨 大 的 磁 致 伸 缩 效 应 这 一 发 现 为 寻 找 和 设 计 具 有 巨 磁 致 伸 缩 效 应 的 智 能 材 料 提 供 了 一 种 高 效 的 途 径 虽 然 实 验 发 现 提 供 了 令 人 振 奋 的 消 息 但 是 如 何 通 过 理 论 来 高 效 低 成 本 的 寻 找 高 性 能 的 无 > 压 电 材 料 巨 磁 致 伸 缩 材 料 是 我 们 现 在 面 临 的 挑 战 计 算 机 模 拟 技 术 的 发 展 为 我 们 革 新 以 往 依 赖 炒 菜 的 方 法 寻 找 高 性 能 智 能 材 料 提 供 了 可 能 另 外 应 用 压 电 材 料 的 >& 理 论 结 合 点 阵 应 变 这 个 序 参 量 对 于 寻 找 可 能 的 高 性 能 形 状 记 忆 合 金 并 建 立 形 状 记 忆 合 金 的 >& 理 论 有 重 要 的 指 导 意 义 这 将 为 开 发 三 类 铁 性 智 能 材 料 提 供 了 统 一 的 理 论 基 础 现 阶 段 关 于 >& 的 理 论 模 拟 主 要 集 中 在 如 何 通 过 控 制 体 系 的 成 分 揭 示 三 相 点 与 三 重 临 界 点 之 间 的 关 系 探 寻 相 转 变 的 最 低 能 量 势 垒 最 终 建 立 铁 性 智 能 材 料 高 性 能 化 的 微 观 机 制 在 铁 电 领 域 研 究 人 员 关 于 >& 进 行 了 大 量 深 入 的 研 究 % 基 于 2)1 ' 和 #,* 的 研 究 工 作 我 们 可 以 建 立 关 于 成 分 温 度 和 自 由 能 的 泛 函 ' B ' A) ' A # ' 其 中 ) 和 # 是 与 温 度 浓 度 及 极 化 方 向 相 关 的 系 数 并 影 响 着 三 重 临 界 点 的 能 量 势 垒 >& 附 近 成 分 体 系 表 现 出 能 量 各 向 同 性 的 特 征 这 一 特 征 导 致 了 相 转 变 的 势 垒 消 失 并 导 致 相 失 稳 体 系 处 于 骑 墙 状 态 很 小 的 外 场 将 导 致 巨 大 的 响 应 如 何 建 立 三 类 不 同 的 铁 性 智 能 材 料 的 准 同 型 相 界 模 型 并 指 导 新 材 料 的 开 发 成 为 研 究 热 点 最 近 西 安 交 通 大 学 李 巨 课 题 组 通 过 第 一 性 原 理 计 算 首 先 揭 示 了 >1. 在 等 静 压 力 作 用 下 的 准 同 型 相 界 >& 附 近 晶 格 结 构 的 自 由 能 表 面 图 发 现 该 材 料 在 >& 两 侧 的 四 方 晶 格 相 和 菱 方 晶 格 相 间 确 实 有 很 低 的 转 化 能 垒 这 证 明 了 该 材 料 在 >& 附 近 的 极 化 方 向 的 易 旋 转 性 从 原 子 尺 度 上 揭 示 了 该 材 料 高 性 能 的 起 源 基 于 这 一 思 路 进 一 步 的 理 论 计 算 将 主 要 探 寻 低 的 转 化 能 垒 的 无 > 铁 电 材 料 并 将 其 扩 展 到 另 外 两 类 铁 性 材 料 中 图 >1. 在 等 静 压 力 作 用 下 的 >& 附 近 的 自 由 能 表 面 #># '># 1" $)))*)$62,$3#4)*)#$>&1* >1.,*5)$065$2#14 ;$)2,$) # >##*5 '># 另 外 在 铁 电 材 料 中 关 于 准 同 型 相 界 上 微 观 结 构 还 存 在 争 议 即 其 微 观 结 构 是 两 相 共 存 相 与 相 还 是 另 一 单 斜 相 相 王 云 志 课 题 组 关 于 >& 的 初 步 相 场 动 力 学 模 拟 表 明 两 相 共 存 的 微 观 状 态 强 烈 的 依 赖 于 两 相 之 间 的 势 垒 如 图 所 示 图 描 述 了 相 对 应 的 微 观 结 构 演 化 高 的 相 转 变 势 垒 下 各 向 异 性 两 相 共 存 并 存 在 明 显 的 相 界 面 而 低 的 相 转 变 势 垒 下 各 向 同 性 体 系 明 显 处 于 一 种 混 乱 状 态 没 有 明 显 的 相 界 面 基 于 实 验 所 建 立 的 准 同 型 相 界 >& 理 论 的 巨 大 应 用 潜 力 通 过 相 场 动 力 学 与 第 一 性 原 理 的 结 合 探 究 三 类 铁 性 智 能 材 料 >& 的 物 理 源 头 并 依 赖 第 一 性 原 理 计 算 所 得 的 参 数 引 入 相 场 动 力 学 之 中 通 过 缺 陷 浓 度 来 改 变 不 同 温 度 的 自 由 能 曲 线 以 在 >& 相 界 上 产 生

第 卷 图 铁 电 智 能 材 料 中 准 同 型 相 界 附 近 的 极 化 各 向 异 性 极 化 各 向 同 性 性 质 对 智 能 材 料 能 量 势 垒 的 影 响 # 和 分 别 描 述 极 化 各 向 同 性 和 极 化 各 向 异 性 的 三 维 自 由 能 曲 面 4 和 5 分 别 描 述 极 化 各 相 同 性 和 极 化 各 向 异 性 自 由 能 曲 面 的 投 影 ) 描 述 两 种 状 态 对 应 的 能 量 势 垒 为 代 表 两 相 相 和 相 的 序 参 量 1" *)$6#$1)$3$;!#$1#1* #*12$;6. #*5 ;!#$1#1* 12$;6. # = 3$)))*)$6 2,$3#4)3$.#*5.$)2;)419)!6 4 5 4 $) 2; *51* 3$)))*)$6;$)41* ) 4 $)2; *51* )*)$6#$1)$1* 4 #*5 5 20 1* $5)$ ;#$#:))$ 3#*5 ;0#2)$)2;)419)!6 两 相 共 存 态 研 究 >& 相 界 上 的 相 变 过 程 以 及 造 成 巨 大 电 致 应 变 的 理 论 解 释 为 选 择 开 发 无 > 压 电 材 料 提 供 理 论 依 据 另 外 除 了 上 述 的 铁 性 玻 璃 和 准 同 型 相 界 的 理 论 模 拟 之 外 铁 性 智 能 材 料 的 另 一 研 究 热 点 是 多 铁 性 材 料 智 能 器 件 通 常 在 电 力 磁 热 耦 合 载 荷 环 境 下 工 作 也 正 是 因 为 耦 合 效 应 使 相 关 的 力 学 分 析 特 别 是 三 维 分 析 变 得 十 分 复 杂 在 深 入 研 究 与 理 解 铁 性 功 能 材 料 微 结 构 的 基 础 上 展 开 力 % 电 耦 合 电 % 磁 耦 合 等 多 铁 材 料 的 研 究 多 铁 性 材 料 不 但 有 铁 弹 铁 电 铁 磁 等 多 种 铁 性 共 存 更 重 要 的 是 铁 电 性 与 磁 性 相 互 耦 合 将 产 生 新 的 性 能 例 如 压 电 效 应 与 磁 电 效 应 通 过 控 制 力 场 或 者 磁 场 来 产 生 极 化 电 荷 这 种 多 功 能 材 料 为 发 展 基 于 铁 电 % 磁 性 集 成 效 应 的 新 型 信 息 存 储 处 理 器 以 及 磁 电 器 件 提 供 了 图 铁 电 材 料 不 同 能 量 势 垒 对 应 的 微 观 结 构 状 态 各 向 异 性 高 的 能 量 势 垒 的 三 维 微 观 结 构 # 及 对 应 面 上 的 微 观 结 构 4 各 向 同 性 低 的 能 量 势 垒 的 三 维 微 观 结 构 及 对 应 面 微 观 结 构 5 1"14$2$,4,$)3$# ;!#$1#1* #*12$;6010 )*)$6 #$1)$ #*5 ;!#$1#1* 12$;6!)*)$6#$1)$ 4 #*5 5 20 1*51:)*21*#!:14$2$,4,$) 3 4 $)2; *51* # #*5 巨 大 的 潜 在 应 用 前 景 已 成 为 近 来 国 际 上 一 个 新 的 而 且 重 要 的 研 究 领 域 因 此 探 索 新 型 多 铁 性 材 料 提 高 磁 电 耦 合 强 度 实 现 巨 磁 电 耦 合 响 应 建 立 微 观 物 理 机 制 等 都 是 亟 待 解 决 的 关 键 问 题 利 用 相 场 动 力 学 结 合 实 验 研 究 以 及 第 一 性 原 理 的 计 算 为 多 铁 材 料 的 相 变 耦 合 微 观 机 制 进 行 剖 析 从 而 为 指 导 设 计 高 性 能 多 铁 材 料 提 供 理 论 依 据 并 将 推 进 多 铁 材 料 的 理 论 研 究 与 应 用 开 发 结 语 缺 陷 在 调 节 铁 性 智 能 材 料 性 能 方 面 起 着 关 键 作 用 缺 陷 的 引 入 诱 发 新 型 的 微 观 结 构 铁 性 玻 璃 态 并 可 能 产 生 巨 大 的 应 用 潜 力 准 同 型 相 界 铁 性 材 料 的 理 论 模 拟 以 往 主 要 局 限 于 各 自 的 领 域 没 有 形 成 统 一 的 物 理 基 础 限 制 了 三 类 材 料 高 性 能 化 的 发 展 未 来 关 于 铁 性 材 料 的 理 论 模 拟 将 基 于 三 类 材 料 的 物 理 平 行 性 运 用 多 尺 度 模 拟 方 法 第 一 性 原 理 分 子 动 力 学 相 场 理 论 等 来 预 测 广 义 缺 陷 掺 杂 溶 质 原 子 等 对 于 铁 性 智 能 材 料 微 结 构 相 变 和 外 场 响 应 的 影 响 在 此 基 础 上 建 立 铁 性 智 能 材 料 缺 陷 % 微 观 结 构 % 性 能 统 一 理 论 模 型 并 展 开 计 算 机 模 拟 从 而 为 新 型 智 能 材 料 的 研 发 与 应 用 及 实 现 性 能 最 大 化 提 供 理 论 依 据

第 期 王 栋 等 铁 性 智 能 材 料 的 计 算 机 模 拟 进 展 参 考 文 献 +#50##* < :2)$ 5#: $5 * &$)#40 #!)<' # #:$15) #:$15)/*19)$216>$)2 4, $1) $,! '% *5 * 4#5):14>$)2 /401* < '0 &2* <!,)$ ' =,)$1 >)!* 4)!=*.9)$91) 311*!)514#! ;;!14#1*2 8! 1,, "! '% ', ' 8#*) #5)$21 #9#!1 (;;!14#1*2 30#;) ): $6!621* 191!*1*))$1*$,4,$)2.9)$91) 1:12 #*5 )15)#2 8! <#0*, 3 ),)$ 0)110#;)): $6!6 #*5 2;;!14#1*23$ 8 /*$,, #40#5 #91 )514#!;;!14#1*2 30#;)): $6!62 8 )0 /* ), ' ' $#* &)514#!0#;)):$6!6;;!14#1*20)#$) #*5 2;$5,428! 1,, "! '% ', '.2,#< )* >06214#!)#!,$6 311&#2)5 0#;) ): $6!62 8 ',! <1)!>06214#!0)$6 3)$:#*)14= :#1*2 8 * '& =)9*201$)0)$6 3)$)!)4$1428 '& +#6:#* #&,%&* *$ )( $ #4:1!#* ' -0#*- +#*( +#*= (>0#2)=1#$#: 31 % 1 A $ 29)$3$: #$)*21) $#1*!#2 8 '& ) -0, (,)= =1* ( $#1*!#21* =;)5 1 1 B $ *!62 :;!14#1* 3$0))*)$#!16 3$#1*!#21* =)3)4*#1*1*)$)!#21462):2 8 ' +#*= -0#*- -0#*8 ( $#1*!#21* )=;)5 11 8 ' ' )* +#*( -0, ( ($#1*!#21* )$)!#21462):2 >$):#$)*2114))5 )$2,2$#1*!#2 8 '%,0 +#*( )*.2,#< ):;)$#,$)$)2>0#2)=1 #$#: 3$#1*!#21 " 1 " 8 ' 1, + )* #$)>1))!)4$143)41* >$)))$#:142 8 '& ' (#* &# -0, (#$)#*)2$141* 3$: $ ;0 $;14>0#2)&,*5#$61* )$:#*)2 8 '& )9#*6, > 19 *!' )( $ $5 * #*5 &$)#40 41)*4) )0*#8>! 1%& '$ #$%&)($.3$5 /*19)$216>$)2 ', = #*1,401 0 ()!#$>??. )$)!)4$1410,!1;!)*0 : )*)11)2;06214#! 8 ' $ 2)!#$)$)!)4$142 8!%,!! :$6( # <#*5 :1)!5 *2#1!16 30).$5)$)5 #) 3 *1*,,26::)$6 8 '& ' <#$0# #2E* <$,:0#*2!8 (;1*!#2#,$) 3 ))5 >$)4,$2$21* #$)*2114$#*23$:#1*2 8 '& ' ' &1*5)$< (,*>;1*!#2)2 ;)$1:)*#!#42 0) $)14#!*4);2 #*5.;)*,)21*2 8 * '& ' 65 20 8!% 1%$*5 * #*5 +#201** #6!$$#*412 =#$:,0!)) #$#$0#:;# )* 1#1*.2,#< 915)*4)3$$#1*!#21* 0))$)!#214#$)*211462): 1 % 1 A 8 '& +#*(, )* 1#1*.2,#<#,01$ 915)*4)3$ &$)* $514161* $#1*!#2 8 '&) ' +#*= +#*( -0#*- ( 5)!1** $:#!$#1* #)21* )$)!#21462):2 0)!) 3>1*=)3)42 8 '& -0, (,)=- =1*= (10 ):;)$#,$)$#1*!#21* 1 >5 % $!6#*5 0)241#)5 0#;)): $6 3)4#*5,;)$)!#21416 8 %%'& -0, (,)=- =1*= ($#1*!#21* =;)5 1 1 % B $ *!62 :;!14#1* 3$0))* )$#!16 3$#1*!#21* =)3)4*#1*1*)$)!#21462):2 8 +#*( )*.2,#<0#;)): $63)4#*5,;)$)!#214161* #$#1*!#2!6 8 '& ' 1( $1:# <1:( (3)43#*5 :*)2 * )$ $)!#214$#*211*2 =12$5)$*5,4)5 62)$)212 ;,*51* 1* 1. #$)*2114!6 8 '& ) ' <,*# - >))!8 &!1*40)1#*!)4$:)40#*14#!

第 卷 )2; *2)1* )$)!)4$14)!#$2#2#$114#!>0)* :)* * 8. ' ' -0, (,)= =1* (10 ):;)$#,$)$#1*!#2 1* 1 >5 %!6#*5 0)241#)5 0#;)): $63)4 #*5,;)$)!#21416 8 %% '& ' +)2;0#! <!)):#** +!1*40, ==13,2)>0#2)$#*21 1*2#*5 #*5 :1)!5*5,4)5 =:#1* #)2 30))!#$ )$)!)4$14>?!?!.! 8'& '!# <$!)9# (.,*)9# *1:) )!##1* 30)=1)!)4$14)2; *2)1* )#5 #* *1#) 8 '& ' #2),$ :#* 3)423=12$5)$1* )$)!#2142 ;1* 5)!3$$#1*!#28'&) 8#3)&'0#$ *5 * #*5 ) ($ 4#5):14>$)2 /401* < )( $ #$4)!=))$ 8#3)& 0 #$,! >1))!)4$14>$;)$1)2 3)#5-1$4*#)!)#5 1#*#)!15!,1* )$#:142 8 /%%'& # + +#*( /&$151*=:#1* )40#*12: 3$>0#2) )12)*4)1* $;0 $;14>0#2)&,*5#$6)$)!)4$142 8 %% '& ' #,* 8,$:#* 8#* 8 $ 2 0)$: 56*#:14 0)$6 30))#5-1$4*#)1#*#)!15!,1* 62): >#$ 0)$)14#!#!4,!#1*2 8 ' ' 2)1 <0#40#,$6#* 4#6 ()$)!)4$14!15!,1*210 $;0 $;14&,*5#$1)2 #*1201*>!#$1 #1* *12$;6 5#;19) >!#$!#2 #*5 >0#2)#)2 8 %%'& 81* ( +#*(/ <0#40#,$6#* (*3$:#!1*1 #,$1#1* 3=:#1*210 = :#1*+#!*)$6 * 4!1*14 )$)!)4$14#)2*)#$0) $;0 $;14>0#2)&,*5#$1)2 8 '& ' 成 果 推 介 高 性 能 致 密 金 属 零 件 的 激 光 立 体 成 形 技 术 针 对 高 性 能 复 杂 金 属 结 构 件 成 形 的 技 术 难 题 和 快 速 响 应 需 求 建 立 了 金 属 结 构 件 激 光 立 体 成 形 科 学 与 技 术 整 体 架 构 和 成 形 工 艺 规 范 成 形 与 修 复 构 件 的 综 合 力 学 性 能 达 到 锻 件 技 术 标 准 研 发 了 具 有 自 主 知 识 产 权 系 列 激 光 立 体 成 形 与 修 复 工 艺 装 备 并 在 国 内 首 先 实 现 了 商 业 应 用 为 激 光 立 体 成 形 技 术 的 大 规 模 工 业 化 应 用 提 供 了 技 术 支 撑 该 技 术 获 授 权 发 明 专 利 项 性 能 指 标 最 大 可 成 形 零 件 外 廓 尺 寸 ::D ::D :: 激 光 立 体 成 形 零 件 的 性 能 达 到 同 种 金 属 材 料 的 锻 造 或 铸 造 水 平 激 光 成 形 修 复 零 件 的 性 能 达 到 零 件 本 体 的 以 上 系 列 商 用 化 固 定 式? 移 动 式 激 光 立 体 成 形 和 修 复 再 制 造 装 备 特 点 响 应 速 度 快 效 率 高 成 本 低 易 于 实 现 原 位 精 密 制 造 和 再 生 制 造 等 成 形 件 具 有 高 的 力 学 性 能 综 合 力 学 性 能 与 锻 件 相 当 既 使 是 再 制 造 零 件 也 可 以 达 到 新 件 的 性 能 适 用 范 围 适 用 于 航 空 航 天 医 学 模 具 钢 铁 轨 道 交 通 和 机 械 等 领 域 合 作 方 式 技 术 开 发 技 术 咨 询 技 术 服 务 技 术 转 让 联 系 电 话 %'' 联 系 人 赵 先 生