多铁性材料和多铁性复合材料的多尺度设计

多铁性材料及其独特的磁电（ME）效应是当前多功能材料领域研究的热点课题。本研究项目立足于物理模型、数值模拟和实验比对，在第一性原理和连续介质力学理论的基础上，力求发展一种新颖的、独特的多铁性材料/复合材料的多尺度设计原理和计算模拟方法，探索梯度多铁性合成和ME效应相互耦合作用的物理和力学机理；基于合理的界面结合以及材料的梯度分布，遵循弱电场在压电(PE)过程中产生强极化，或者在压磁(PM)过程中产生强磁化的原则，在理论上设计出高强度ME效应的多铁性材料和多铁性复合材料。为多铁性材料工业化的合成和复合提供重要的理论指导和可调参数。研究内容包括：多铁性复合材料的梯度合成和界面特性的从头计算法模型和力学模拟；ME效应的力学模型和数值模拟方法。本项目所获得的成果将在微波器件、磁电记忆元件、磁场感应元件、电控磁装置、以及磁控压电器件等技术领域得到广泛的应用。

本研究项目立足于物理模型、数值模拟和实验比对，在第一性原理和连续介质力学理论的基础上，力求发展一种新颖的、独特的多铁性材料/复合材料的多尺度设计原理和计算模拟方法，探索梯度多铁性合成和ME效应相互耦合作用的物理和力学机理；基于合理的界面结合以及材料的梯度分布，遵循弱电场在压电(PE)过程中产生强极化，或者在压磁(PM)过程中产生强磁化的原则，在理论上设计出高强度ME效应的多铁性材料和多铁性复合材料。主要研究成果有：(1) Gd掺杂BiFeO3合成一种新型多铁材料，铁磁性得到很大提高。Gd掺杂后得到更高的静态介电常数。氧空位的存在使得BiFeO3的导电性有所增强，光学吸收系数减小，且静态介电常数变小，呈现完全各向异性。(2) 得到了异质结构中各向异性压电全平面非均匀多边形夹杂的Eshelby问题的分析模型和闭合解，提出了计算迭代格式。(3) 获得了精确封闭形式解用于解决各向异性压电全平面或半平面中任意形状夹杂材料的场分布问题，分析了非均匀特征应变对弹性场和电场的影响。(4) 求得了任意分布的梯度形式横观各向同性功能梯度磁电弹性悬臂梁上表面受均匀载荷、自由端受集中力和力矩作用下的解析解。(5) 分析了弯曲模态下功能梯度铁电铁磁复合材料的磁电效应，给出了磁电转换公式。针对沿厚度方向变化的线性和指数梯度分布形式和不同梯度层合情形讨论了磁电效应。(6) 给出了分析多铁纤维复合材料界面层影响的简化方法，并应用该理论分析界面层采用不同材料时对复合材料整体磁电性能的影响。结果表明，界面层材料选取不同会显著影响材料整体磁电性能。本项目的成果为多铁性材料工业化的合成和复合提供了重要的理论指导和可调参数。