项目名称: 铁电纳米多晶动态电-力学特性外场频率相关性的微结构动力学机理研究

项目编号: No.11472045

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2015

项目学科: 数理科学和化学

项目作者: 苏煜

作者单位: 北京理工大学

项目金额: 90万元

中文摘要: 实验观测证实铁电多晶在外加交变电场环境下存在电-力学特性上的外场频率相关性。对于晶粒尺寸更小的铁电纳米多晶,其材料特性对外场频率的依赖性更大,将直接影响其在工程中的应用。从晶体微结构相变动力学的角度来分析其宏观材料动态特性,将频率相关性视为材料微结构演化速度与外场加载速率竞争的结果,对其进行微结构动力学机理性的研究具有十分重要的科研价值。本项目拟建立用以描述铁电纳米多晶微结构动力学演化过程的相场计算模型,通过边界值条件引入外场频率的参与;同时考虑纳米多晶晶粒界面层的微结构特征及其衍生的尺寸效应。通过进行相场数值模拟分析和宏观辅助实验验证,掌握在动态电加载环境下晶体微结构动力学演化过程的时空规律;再现微结构演化与外场频率的竞争过程;揭示铁电纳米多晶宏观电-力学特性与电场频率相关性的内在微结构动力学机理;为提高该类功能元件的稳定性和工作效率提供理论依据。

中文关键词: 铁电材料;相场方法;微结构演化;力电耦合;频率相关性

英文摘要: It has been experimentally demonstrated that there is apparent frequency dependence in the electromechanical characteristics of ferroelectric ceramics.Such dependence of the material properties on the field frequency is further intensified in nanocrystalline polycrystals, and can directly affect the material's engineering application. Therefore it is worth of the efforts to do microstructural dynamics studies on the mechanism behind the observed frequency-dependent phenomena by taking the view that frequency dependence is a result of direct competition between the speed of microstructure evolution and the speed of external loading. In this proposal we intend to develop phase field model to describe the microstructural evolution dynamics of nanocrystalline ferroelectric polycrystals by introducing the electric field frequency through the boundary condition values. In the meanwhile we consider the microstructural characteristics of the grain-grain interface which leads to grain-size effects. By phase field analysis and experimental verification, the objective of this work is to understand the microstructural dynamics in ferroelectric nano-polycrystals under applied alternating electric field, mimic the competition between the microstructural evolution speed and the applied field frequency, develop the microstructural dynamics mechanism for the observed frequency-dependent electromechanical characteristics of nanocrystalline ferroelectric polycrystals, and eventually provide a theoretical foundation for the improvement of the stability and efficiency of such functional materials.

英文关键词: ferroelectrics;phase field method;microstructural evolution;electromechanical coupling;frequency dependence

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