考虑挠曲电性的多铁性复合材料/结构的磁电效应及其应用

Multiferroic materials simultaneously exhibit several ferroic (e.g. ferroelectric, ferromagnetic, or ferroelastic) orders, have drawn increasing attentions duo to their potential for applications as new micro- or nano- multifunctional devices. At the nanoscale, flexoelectriciy obviously changes macro-mechanical behaviors of multiferroic materials and dramatically enhance its magnetoelectric effects as well. However they cannot be precisely pridicted by using the traditional continua media theory. The project will take into account the flexoelectricity to develop a systematic simplified structural theory for nanoscale multiferroic materials based on the power series expansion method. With the developed theory, we will investigate the mechanical properties and the magnetoelectric effects of nano-multiferroic materials/structures, then put forward the key design parameters for some representative devices and deduce their effective computing formulas. The outcome of the project can extend the research scope of the traditional continua media theory and make a certain extent progress in the multi-field coupling mechanics, which not only has important theoretical value but also strong background in device applications.

随着器件功能化和小型化的发展，多铁性复合材料/结构因具有多重物理属性而作为新一代多功能材料在新型器件设计中得到广泛关注。当结构尺寸减小到微纳米时，材料的挠曲电性会显著增强结构的磁电耦合效应，其宏观力学行为也有明显的变化，而传统的连续介质力学理论已无法对此进行有效预测。本项目针对多铁性复合材料/结构，考虑挠曲电性的影响，采用级数展开技术系统建立一维和二维简化结构理论。在此基础上，研究纳米尺度多铁性复合材料/结构的宏观力学行为，分析其磁电效应，并确定影响结构宏观力学行为和磁电效应的关键参数。针对特定工作模式，推导器件主要设计参数的计算公式，为器件的研发、设计和使用提供直接的理论指导。本项目拓展了连续介质力学的研究范围，在一定程度上发展了多场耦合力学的分析方法，既有重要的理论价值，又有明确的工程应用背景。

多铁性复合材料与结构具有多场耦合特性，在新型多功能器件中有重要应用前景。在微纳米尺度，挠曲电性和表面效应对结构的宏观力学性能有显著影响，发展有效预测微纳多铁性复合材料与结构的新力学行为的理论分析方法至关重要。项目针对微纳尺度的多铁性复合材料与结构，考虑由应变梯度作用打破了晶体局部对称性而产生的挠曲电性和表面效应，系统建立了适合多铁性功能器件设计的简化分析模型。重点研究了挠曲电性和表面效应对多铁性复合材料与结构的宏观力学性能的影响，导出了结构有效弹性模量、压电模量、固有频率和磁电耦合系数等重要器件设计参数的理论公式。理论设计了多铁性磁电俘能器、压电俘能器和作动器，并提出增强器件性能的具体方法。研究发现挠曲电性可显著提高结构的磁电耦合效应，表面效应可以提高结构的等效弹性模量与固有频率等。项目还研究了具有非线性效应的压电半导体内的力-电-载流子耦合行为、利用机械偏场实现了多铁性周期结构的带隙结构的主动调控。上述研究成果不仅为新型多铁性功能器件的应用与开发提供了重要的理论基础，还拓展了连续介质力学的研究范围、促进了多场耦合力学的发展。在项目的资助下，共发表SCI论文11篇，会议论文3篇。