智能材料多场多尺度分析仪器的研制与应用

Ferroeolectrics/piezoelectrics and multiferroics are the leading contenders of smart materials. They typically possess the capability of transformation among mechanical, electric, magnetic, and thermal energies. This capacity is also required when the environment suffers from varying mechanical, thermal loadings, etc. It is necessary to study the dynamic behaviors of the smart materials under the multi-field loadings. Till now, studies on the smart materials are confined to either microscopic or macroscopic aspects. Investigations on the inter-connections between the microscopic and macroscopic aspects are urgent, both dynamically and multi-dimensionally. . .The goal of the current application is to develop an instrument capable of applying multi-field coupling loads, as well as trans-scale observations and quantitative characterization for smart materials under the multi-field coupling loads. The instrument can apply loadings arbitrarily, in various combinations, so as to simulate the actual service conditions for smart materials and devices. At the same time, both trans-scale observations and quantitative characterization can be accomplished from micron to nanometer scale. The Instrument is aimed to making breakthrough on the related techniques concerning the multi-scale microstructure observation and quantitative characterizations. The development of the instument would be of great importance to deepen and widen the discipline of Mechanics of Smart Materials under multiple loadings. It will also of great importance for the design and development of the new generation smart materials and devices.

铁电、铁磁材料以及多铁性材料是智能材料的代表。这类材料本身在力磁电热之间的功能转换，以及其应用的多场耦合工作环境，都仰赖于多场加载下微结构和性能的动态演化过程。迄今为止，对智能材料的研究通常囿于局域的微观模式或孤立的宏观模式，缺乏将微观和宏观研究有机结合起来的多场耦合、动态和跨尺度的研究。. 本项目的目标是发展智能材料实验力学技术与方法，研制一台具备多物理场加载，并赋有从微米到纳米尺度结构观测和性能表征的仪器。该仪器能够实现力磁电热场的组合加载,从而有效表征智能材料和器件的不同服役条件；同时还能够完成对智能材料在多场加载条件下从微米到纳米尺度的形貌、结构和性能分析研究。本实验技术与仪器项目申请集设计理念的创新与关键核心技术的突破于一体，对于发展智能材料微纳米表征的新技术和新方法，促进智能材料多场耦合力学具有科学意义，对于新型智能材料与器件的设计与研制具有重要的应用意义。

本项目发展智能材料实验力学技术与方法，研制了一台具备多物理场加载，并赋有从微米到纳米尺度结构观测和性能表征的仪器。该仪器能够实现力磁电热场的组合加载,从而有效表征智能材料和器件的不同服役条件；同时还能够完成对智能材料在多场加载条件下从微米到纳米尺度的形貌、结构和性能分析研究。本实验技术与仪器项目申请集设计理念的创新与关键核心技术的突破于一体，对于发展智能材料微纳米表征的新技术和新方法，促进智能材料多场耦合力学具有科学意义，对于新型智能材料与器件的设计与研制具有重要的应用意义。. 在研制的智能材料多场多尺度分析仪器基础上，利用研制仪器对磁电复合材料的力磁电效应与微结构演化进行了研究，应力调控四态磁电耦合效应对于多态存贮器的研制和开发具有重要意义；利用研制仪器对PMN-PT铁电单晶进行了多尺度畴结构观察与纳观区域压电响应研究，通过微观和纳观尺度的结合，澄清了目前尚存争论的单斜相的结构本质，同时揭示了单斜相、三方相、四方相中铁电畴电场下的电致应变与畴取向的关系；将高性能PMN-PT铁电单晶与巨磁致伸缩材料Terfernol-D结合制作PMN-PT/Terfernol-D磁电复合材料，研究了磁场对畴结构和电极化性能的调控，得到了磁场调控的最优值；研究了电活性聚合物(P(VDF-TrFE)铁电薄膜循环电场下由电场诱导的电极化和力学性能共增强效应，适合应用于无疲劳现象的铁电器件；还利用研制仪器对柔性聚合物磁电复合材料的自偏置磁电耦合进行了研究，由于不必再使用外加静磁场，可以使得磁电器件降噪的同时尺寸做得更小；研究制备了高性能PVDF基压电纳米纤维，对单根纳米纤维的压电性能进行表征，在高性能压电纳米纤维研制的基础上进行了纳米纤维发电机原型的制作，获得较高的输出能量。