铁性功能材料高性能化的统一物理基础的研究

Conventional ferroic phase transitions are too sharp and nonlinear for some application requiring precision control and low energy dissipation, wide temperature range, sharp modulus change because of its first order transition characteristics and rapid growth after nucleation. Recently, strain glass systems show narrow hysteresis and quasi-linear elastic properties [Acta Mater.66(2014) 349] and propose a new mechanism in improving physical properties through adjusting martensite domains by defect engineering. However, the generality of the mechanism is still unclear. Based on previous achivements and physical parallelism of different ferroic functional materials, this project aims to study the effect and the macroscopic properties of generalized defects in the regulation of domain structure of ferroic materials and establish a unified theory model of defect - domain structure - performance in ferroic functional materials. This project will integrate experiment and simulation study to explore the foundation of the three materials unified physics, guide the design and development of high performance material.

传统的铁性相变由于其非扩散及一级相变特性导致形核后快速长大，从而造成其本征的低响应、大滞后、窄温域、模量突变、疲劳性能差等特性，影响了其应用范围和应用成本。近期发现的缺陷诱发的马氏体相变到应变玻璃转变的奇异现象提出了通过缺陷工程调节相变行为及马氏体畴结构进而影响物理性能的新机制[Acta Mater. 66(2014) 349]，这为我们设计高性能铁性功能材料提供了新思路。但是由于过去关于三类铁性功能材料的研究被分散在各自不同领域，只能借助各自领域的有限研究思路，无法形成统一的理论框架，降低了材料研发的效率。本项目拟在已有的研究基础上，结合铁性功能材料的物理平行性，基于不同铁性材料已有的理论基础，相互结合，研究广义缺陷在调控铁性材料畴结构和宏观性能中的作用，建立铁性功能材料缺陷-畴结构-性能的统一理论模型，探寻三类材料的统一物理基础，并最终指导高性能铁性功能材料设计开发。

铁性材料是具有感知温度、力、电、磁等外界环境并产生驱动（位移等）效应的一类重要功能材料，其已广泛应用于制造业，航空航天及国防等领域。从移动电话、电视、电脑、汽车、原子力显微镜、到潜艇的声纳、导弹及卫星的核心定位及控制系统，无处不显示出铁性材料的重要作用。产业技术和国防技术的高度智能化以及这些关键领域的国际竞争日益加剧，对铁性材料的性能（如灵敏度、控制精度以及环保性能等）提出了前所未有的高要求，亟待发现和研究具有高性能和特异性能的铁性材料与器件。但是现阶段铁性材料的开发遇到了瓶颈：各类铁性材料的研究局限在几个不同的领域，没有形成共同的物理基础，致使各自学科只能借助于自身有限的学术思路来指导材料研发。.本项目通过融合不同铁性材料领域，建立普适于铁性材料的共性物理基础，并由此发现能够大幅度提高铁性材料性能或提供特异性能的物理机制，用以指导设计和研发各类高性能铁性材料及器件。研究内容主要包括通过实验和计算模拟，在铁性功能材料中引入不同类型的缺陷，研究缺陷与铁性功能材料之间的关系，解释缺陷调控相变及畴结构的物理机制，进一步探索相变及畴结构调控物理性能的机制，解释铁性功能材料高性能化所需要的条件。.项目共发表论文25篇（包括一篇PRL，2篇AFM，7篇Acta Mater等），1项软件著作权，取得的主要研究成果包括：1）建立了铁性材料缺陷-畴结构-性能的相场动力学模型，揭示了铁性功能材料高性能化物理机制，为加速高性能铁性功能材料开发提供了可能；2）通过耦合分子动力学计算，揭示了应变玻璃转变的物理本源是缺陷网络的形成，发现了极化调幅分解新的相变机制，为调控铁性功能材料畴结构提供了新的思路；3）基于统一理论预测模型，指导实验设计出具有低模量、宽温域超弹性及高介电、宽温域的新型功能材料，为实现铁性功能材料高性能化提供了有效路径。