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    北大工学院方岱宁课题组在电磁功能材料多场耦合微区力学性能测试

      发布时间:2019-05-08 17:16

      北京大学工学院航空航天工程系方岱宁课题组与吉林大学、中科院上海硅酸盐研究所合作,在电磁功能材料的力电磁多场耦合下的力学性能测试与表征方法和仪器研究方面取得新进展,相关成果发表在Nature出版集团的在线开源期刊《Scientific Reports》、美国物理联合会出版的应用物理快报《Applied Physics Letters》和科学仪器评论《Review of Scientific Instruments》等期刊上。

      电磁功能材料与器件固有的力电磁耦合特性,使其在电场、磁场和力场及其联合作用下发生微观畴变,从而在宏观上调控它的电学、磁学和力学性能。近些年,随着科技发展,其特征尺寸不断小型化和微纳米化。如何测试和表征功能材料在多场耦合下的微区力学性能对于电磁结构与器件设计和质量评估有重要意义。方岱宁课题组与吉林大学合作研制了国际首台“力-电-磁”多场微纳米压痕仪器(最大载荷:1牛顿;最大电压:1000伏特;最大磁场:8000奥斯特),可用于研究铁电、铁磁和多铁等功能材料在小尺度下的电、磁致弹塑性变形行为。通过电场、磁场及其联合作用下的材料微区接触或压入测试,获得不同外场条件下的加卸载曲线和功能材料的多场耦合性能参数。

      方岱宁课题组利用自主研制的“力-电-磁”多场微纳米压痕仪器,研究了弛豫铁电单晶材料的力电耦合压痕行为,发现了电场对于铁电材料硬度、等效模量和压痕能量耗散的明显调控作用,硬度模量比与压痕能量耗散之间存在电控调控的线性关系,正负电场对于等效模量的影响存在明显的不对称性,该实验现象可以通过力电载荷对系统自由能的影响,以及挠曲电效应或应力梯度与极化矢量之间的耦合进行解释。基于实验发现的线性关系,提出了不同电场下的等效模量和硬度的表征方法。该课题组还研究了镍单晶的力磁耦合压痕行为,不仅可以确定材料的微区力磁耦合系数,还发现饱和磁场对于铁磁材料微区力学性质的明显调控作用,包括硬度、等效模量、压痕能量耗散、屈服强度和塑性指数等。实验发现了磁场对于等效模量的影响在小尺度下远大于宏观尺度,原因可能是除了应力场引起磁畴旋转导致的附加应变外,还存在应力梯度场与磁畴旋转之间的耦合导致的新的附加应变。这种磁场引起铁磁材料模量改变的现象称作ΔE效应。该测试表征方法和仪器的研制可为微型化电磁调控声学器件设计和性能评估提供依据和实验手段。

      以上三篇论文的第一作者是工学院博士生周浩,通讯作者是裴永茂副教授和方岱宁院士。该工作得到了国家自然科学基金重大项目和科技部国家重大科学仪器设备开发专项的支持。

      a- b:仪器设计示意图与实物图;c-d:不同电场/磁场下的载荷-深度曲线;e-f:力电/力磁耦合压痕标度关系