巨磁致伸缩材料中磁机械效应和磁致伸缩

For magnetic materials with both the cubic magnetocrystalline anisotropy and large saturation magnetostriction, the state of magnetization can be modified by an applied stress, leading to a change in its dimension. This is the inverse magnetostrictive effect and often called the magnetomechanical effect. This modification in the state of magnetization for giant magnetostrictive materials due to the magnetomechanical effect can strongly affect both the magnetization reversal and magnetostriction. In this proposal, on the basis of Stoner-Wohlfarth model, both the magnetomechanical effect and magnetostriction will be investigated with the nonlinear equations for equilibrium conditions being numerically solved. This proposal is aimed at giving more physical understanding about the magnetomechanical effect in giant magnetostrictive materials, and investigating the correlation of the magnetomechanical coupling with magnetization reversal.

对于具有立方磁晶各向异性和大饱和磁致伸缩系数的巨磁致伸缩材料，外加应力（压力或拉力）会使材料中的磁化状态发生变化，进而导致材料尺寸也随之变化。这个效应为磁致伸缩的逆效应，称为磁机械效应。磁机械效应导致巨磁致伸缩材料中磁化状态发生变化，进而影响磁化过程和磁致伸缩效应。在本项目中，基于单畤Stoner-Wohlfarth (SW)模型，对平衡条件下的非线性方程组进行数值求解，研究了Terfenol-D 和FeGa单晶中的磁机械效应和磁致伸缩效应。本项目旨在揭示巨磁致伸缩材料中磁机械效应的物理图像，并阐明磁机械效应和磁化过程及磁致伸缩效应之间的相关性。这个项目的实施不仅有助于我们系统地认识磁性材料中的磁机械效应和磁致伸缩效应，而且其理论结果也有助于理解具有非零磁致伸缩系数材料的磁化过程。

我们已采用单畴Stoner-Wohlfarth（SW）模型来研究TbDyFe和FeGa合金在磁场和压应力共同作用下的磁行为，取得了一些成果。但是由于这些巨磁致伸缩合金涉及弹性力学和晶体学等理论，非常复杂，有必要借鉴其它学科的理论来推动本项目的研究。铁电材料与巨磁致伸缩材料的实验现象非常相似。虽然其中的物理本质是不同的，但是铁电材料中的一些概念和理论有助于理解一些磁有序现象，比如TbDyFe和FeGa合金。与此同时，可以借鉴铁磁物理的概念和理论来研究铁电材料。传统的铁电物理理论为Landau-Ginzberg-Devonshire（LGD）理论。该理论引入了较多参数，但没有明确的物理意义。该模型对于简单的铁电体系如BaTiO3单晶能给出定性的描述，但对于一些新体系比如PZN-PT和PMN-PT单晶则非常困难。针对这些问题，本项目希望在LGD理论的基础上，借鉴铁磁物理的理论，能够建立一个既可以描述铁电相变又可描述极化过程的铁电理论。在该理论中，忽略压电效应的影响，只考虑铁电效应。其自由能包括晶体各向异性能，电弹性能和外电场能，这些能量都是温度相关的。在无压应力和外电场时，铁电晶体的晶体结构由晶体各向异性能决定，压应力或外电场的作用可以改变极化强度的方向。基于该自由能表达式，我们可以研究某个温度下的极化过程和相应的电致伸缩效应，也可以研究温度变化导致的铁电相变。目前，我们已将该模型成功应用于BaTiO3，PZN-PT和PMN-PT单晶，电滞回线和电致伸缩曲线的计算结果与实验结果是非常符合的。本项目为铁电领域提供了一个更加有效的铁电物理模型，将有助于我们理解铁电晶体的铁电相变和极化过程。