力-電場作用下鐵電材料微觀結(jié)構(gòu)演變的相場模擬研究.pdf

1、鐵電材料作為一類具有力-電轉(zhuǎn)化功能的智能材料，其宏觀的力電轉(zhuǎn)化效能、相變與力學(xué)行為與材料細(xì)微觀的疇結(jié)構(gòu)、疇界、極化取向等密切關(guān)聯(lián)。眾所周知，鐵電材料內(nèi)部的電疇結(jié)構(gòu)又極易被機(jī)械約束、溫度、電場等外界因素所改變，進(jìn)而直接影響鐵電宏觀器件的使用性能和工作周期，同時(shí)也使得鐵電材料的力電耦合行為比一般材料更加復(fù)雜。因此，開展多場耦合下鐵電材料微觀結(jié)構(gòu)演變以及研究疇結(jié)構(gòu)及疇翻轉(zhuǎn)動力學(xué)性能的研究不僅是提高以鐵電材料為基礎(chǔ)的宏觀器件性能不可或缺的途徑，

2、同時(shí)也是促進(jìn)鐵電材料在復(fù)雜的工作環(huán)境應(yīng)用的有效手段。
　　本文采用相場方法，以熱力學(xué)和動力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，針對鐵電材料相變過程中微結(jié)構(gòu)演化及電疇特征進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。采用時(shí)變的金茲堡-朗道(Time Dependent Ginzburg-Landau)方程來描述鐵電材料在多場耦合作用下相變過程中疇結(jié)構(gòu)以及疇界等微觀結(jié)構(gòu)的演化動力學(xué)特性，開展了PbTiO3材料外電場、外力誘發(fā)下的相變機(jī)制與疇結(jié)構(gòu)演變過程的模擬。研究表明：無外場作

3、用下，鐵電材料內(nèi)部電疇結(jié)構(gòu)隨著系統(tǒng)整體能量的演化，發(fā)生形核和生長的過程；其中新疇通過擴(kuò)張和吞噬周邊疇的形式長大，達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，疇結(jié)構(gòu)不再隨時(shí)間變化，疇壁規(guī)整，疇結(jié)構(gòu)滿足一定的規(guī)律性。在無外場下穩(wěn)定演變結(jié)果的基礎(chǔ)上，外加電場作用，平衡狀態(tài)被打破后，電疇隨著疇壁的運(yùn)動生長變大，其中不同區(qū)域的極化疇分別進(jìn)行著90度或180度的極化反轉(zhuǎn)，當(dāng)系統(tǒng)能量達(dá)到極小值時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨時(shí)間變化。在無外場下穩(wěn)定演變結(jié)果的基礎(chǔ)上，外加應(yīng)力作用，平