铁电体的极化储能效应

三维铁电体的偶极子等概率地分布在晶格取向相关的特定极化方向上.外加电场后,各个方向的偶极子对电场的响应不同,导致了各种场致效应.最基本的效应是电场对极化强度在相变温区的诱导和转向,导致铁电体在相应温区实现了高的储能密度效应.基于铁电体德文希尔理论三维吉布斯自由能与极化强度的关系,得到了二阶相变铁电体偶极子的诱导及取向对极化储能密度和放电能量密度的影响.研究结果显示:低电场下储能峰低于居里温度,并随电场增大接近并超过居里温度;两个铁电参量的比值对铁电体的极化行为、电滞回线和储能密度具有关键影响并使其相互关联.同时还发现介电峰的温度宽度对应电滞回线形状变化的温度宽度和储能密度峰的温度宽度,且储能密度峰越高,峰的温区越窄.     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

外电场作用下铁电畴极化反转机制的相场法模拟

采用相场方法模拟了铁电畴的形成及外电场作用下的极化反转,探讨了不同外电场作用下的极化反转机制.结果表明:无外电场作用下,铁电畴的形成是一个形核和长大的过程,系统达到稳定时具有4种铁电畴,其形貌均为平行四边形,其中180°反向畴沿-45°方向规则分布,90°反向畴呈阶梯状规则分布;恒定电场作用下,铁电畴产生90°和180°极化反转,极化方向有利的铁电畴长大,系统达到稳定时,平均极化增加,且恒定电场越大,平均极化越大;交变电场作用下,铁电畴产生极化反转,形成电滞回线和蝶形回线,电场频率或者强度越大,矫顽电场和剩余极化越大,温度越高,矫顽电场和剩余极化越小.     

反铁电体的极化与介电效应

基于Kittel的反铁电体唯象理论,从正和反电场方向双吉布斯自由能的角度出发,导出了反铁电耦合条件下电场对偶极子转向和对正反极化强度的影响规律,最终得到了电场相关的反铁电体的电滞回线和介电常数.数值模拟的结论是:在一个电场周期内电滞回线呈现双回线;在半个电场周期内,介电常数呈现双峰.当改变反铁电耦合强度和温度时,得到的电滞回线与介电常数的变化规律与报道的实验结果相吻合.反铁电耦合强度的增强或温度的降低,都会使反铁电性增强,表现为反铁电相到铁电相的临界转变电场增大,并在一定条件下消失,即因极高的临界转变电场使反铁电回线转变为细长的铁电型电滞回线.深入分析表明,该回线实质上为强反铁电体的特性,而并非表面所呈现的铁电相.     

介电弹性体驱动器的稳定性分析

介电弹性体（dielectric elastomers,DE）是制造智能主动驱动器最有潜力的电致活性聚合物（electroactive polymer,EAP）材料．在介电弹性体薄膜2个相对表面均匀涂覆柔性电极,施加电压后,由于静电力作用,介电弹性体薄膜沿电压施加的方向收缩,而在垂直于电压施加的方向扩展延伸．介电弹性体薄膜厚度变小导致施加在薄膜上的电场更高,当施加的电场超过其临界电场时,介电弹性体薄膜被击穿,驱动器失稳．本文基于非线性场机电耦合理论的介电弹性体稳定性分析方法,应用含有2个材料常数的弹性应变能函数模型对介电弹性体进行稳定性分析．得到材料常数比七值越大,对应的介电弹性体材料或驱动器的稳定性越高,它可以指导介电弹性体驱动器的设计．最后,把这种方法推广到应用多个材料常数的弹性应变能函数分析介电弹性体稳定性．     

饱和砂土的渐近状态特性及其模拟

在UH（统一硬化）模型的基础上,基于部分塑性体积应变与塑性剪应变有耦合的思路,把对土塑性变形有影响的硬化参量分为耦合硬化参量和非耦合硬化参量,提出了一个新的双硬化的弹塑性本构模型．此模型新颖之处在于它不但可以有效的考虑应力路径也可以考虑应变路径对应力应变特性的影响,所以新模型既能合理预测排水、不排水,也可以模拟部分排水及部分吸水条件下的应力应变关系．结合渐近状态概念,还给出了基于饱和砂土排水试验参数计算不排水极限应力比、静止土压力系数梳的简单公式．模型参数简单,仅比Camclay模型多了一个特征状态点应力比,全部可通过常规三轴压缩试验简单确定．     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

低温/宽温域下自润滑关节轴承摩擦学性能研究

针对我国大型低温风洞设计建设中关键运动执行机构的运动精度和稳定性需求,开展了低温/宽温域环境下,自润滑关节轴承的摩擦磨损规律和模拟服役性能研究.自主研制了低温关节轴承试验机和适用于低温工况的自润滑关节轴承,开展了113～323 K宽温域范围内的摩擦磨损试验,研究了温度、载荷对关节轴承整体摩擦系数的影响规律,并开展了关节轴承的低温耐久性试验.研究结果表明:随着环境温度的降低,关节轴承的动、静摩擦系数均呈现先上升后平稳或下降的趋势,反映了热激活效应和自润滑材料理化特性对其摩擦性能的综合影响规律;温度高于153 K时,较高载荷有利于摩擦转移膜的形成,从而导致摩擦系数降低,然而当温度低于153 K时,几乎难以形成转移膜,载荷越大磨损越严重,因此摩擦系数在高载荷下反而更大;经过113 K低温下30000摆次试验,关节轴承的动摩擦系数略有升高,但仍低于0.18;轴承磨损量不大于0.08 mm,外圈内表面上织物磨损均匀,并在内圈表面形成转移膜以起到润滑作用.     

Au／PZT／BIT/p-Si结构铁电存储二极管存储特性

采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备了Au/PZT／BIT／p-Si结构铁电存储二极管.对其铁电性能和存储特性进行了实验研究.铁电性能测试显示较饱和的、不对称的电滞回线,其剩余极化和矫顽场分别约为15 μC／cm^２和48 kV／cm; 10^９次开关极化后剩余极化和矫顽场分别仅下降10%和增加12%;观察到源于铁电极化的CV和IＶ特性回线;电流密度+4 V电压下为6.7×10^-8 A／cm²; 在+2 V的读电压下,读“1”和读“0”电流有0.05 μA的明显差别;保持时间达30 min以上.     

考虑时间效应的UH模型

分析时间对土的效应,在对现有理论和试验数据总结分析的基础上提出了瞬时正常压缩线的概念;基于蠕变规律,建立老化时间与超固结度的关系;采用UH模型(以统一硬化(United Hardening)参数作为硬化参量建立的三维超固结土弹塑性本构模型)的再加载公式计算瞬时变形,提出超固结土一维弹黏塑性应力应变关系;分析一维弹黏塑性应力应变关系的演化规律,定义特征速率并给出其与超固结参数的关系;在UH模型屈服面方程中引入折算时间,建立三维弹黏塑性本构模型.该模型在UH模型的基础上考虑时间效应,不仅能够描述土的剪切蠕变、松弛、速率效应等黏性规律,而且能够反映土的剪胀、软化等超固结性质;与修正剑桥模型相比,仅增加一个次固结系数来反映土的蠕变规律;该模型在瞬时加载条件下退化为UH模型,从而使弹塑性与弹黏塑性框架得到统一.     

磁致伸缩薄膜-基底悬臂梁微致动器的设计与优化

从最基本的力学平衡方程出发获得了适应于任意磁膜/基底厚度比、自由端施加点荷载的磁膜-基底悬臂梁系统弯曲问题的严格解, 针对材料的几何参数和物理参数着重分析研究了构成微致动器悬臂梁的设计与优化问题, 给出了微致动器应用的最佳条件, 并澄清了一些理论问题. 结果表明: 当基底厚度固定时, 磁膜和基底厚度之比越大, 悬臂梁的带载能力越强, 即输出力越大; 而当悬臂梁整体厚度固定时, 其自由端的输出力将出现唯一的极大值, 此极大值随着材料强度比的增加将减小, 同时相应的厚度比将减小. 无论是基底的还是整体的厚度固定, 悬臂梁中两种材料的Poisson比对其自由端输出力的影响都很大, 不可忽略.     

MH-Ni电池中正极材料β-Ni(OH)2微结构的对比

微结构主要指微应变、微晶和堆垛层错, 它们都会引起X射线衍射线的宽化现象. 在总结前人工作的基础上, 提出并建立了分离微晶-堆垛层错二重、微晶-微应变-层错三重宽化效应的最小二乘方方法和相关的计算程序, 于是可分别计算出微应变(微应力)、微晶大小和堆垛层错几率. 用这种方法对不同来源的β-Ni(OH)₂原材料、普通MH-Ni电池活化前后和循环寿命试验前后的β-Ni(OH)₂、正极中加有Ca化合物的电池在循环寿命试验后β-Ni(OH)₂的微结构进行了对比分析和研究. 实验结果表明, 活化和循环充放电的影响是巨大的, 使微晶形状和尺度、微应变状态和堆垛层错几率都发生重大变化, 而且这些微结构参数与电池的电化学性能之间有一定的对应关系.     

钢渣在复合胶凝材料的水化过程中对水泥水化的影响

通过对胶凝材料水化放热特性、水化产物的种类和水化产物中Ca（OH）2含量的测定,研究了钢渣在复合胶凝材料的水化过程中对水泥水化的影响.结果表明：在复合胶凝材料的水化过程中,水泥和钢渣只是通过改变彼此的水化环境而影响彼此的水化,钢渣并不发生类似于火山灰反应的二次水化反应;水泥-钢渣复合胶凝材料的水化诱导期比水泥的长,且复合胶凝材料的水化诱导期随着钢渣掺量的增大而延长;钢渣对水泥的早期水化有延缓的作用,而且钢渣的掺量越大,延缓作用越明显;钢渣对水泥的后期水化有促进作用,且钢渣掺量越大,龄期越长,促进作用越明显.     

原子尺度多重序参量的协同测量与关联特性研究

朗道于1937年将物质的相变和对称性相关联,并提出了物质中的序参量的概念.随着功能材料的研发进展、"量子材料"概念的诞生,与点阵密切关联的电、磁、光等性能均可以在人为调控手段下发生变化,唤起了人们对"序参量"称呼的眷爱.当体系中同时存在多种序参量且多种序参量之间存在强烈的关联作用时,往往会催生许多新奇的物理现象.对一体系在原子尺度上的多种序参量(如点阵、电荷、自旋、轨道、拓扑)的协同测量和关联特性的研究将会有力地促进人们对新型功能材料中各种耦合作用的理解,促进这类材料的研发和应用.本文将简单介绍原子尺度序参量概念的由来,并主要以本研究组的一些工作为例,阐述如何应用和发展先进电子显微学和相关技术实现原子尺度的多种序参量协同测量和关联特性的研究.     

温度对超塑性拉伸稳定变形影响的力学解析

从应力为应变、应变速率和温度的函数的状态方程出发, 导出包含应变硬化指数、应变速率敏感性指数和本文引入的温度敏感性指数、温度起伏指数, 建立了分析超塑性拉伸载荷稳定变形的微分本构方程和几何稳定变形的变分本构方程, 并根据塑性基本理论的普适条件, 进行了温度连续上升条件下和沿试样轴线存在温度不均匀条件下的载荷稳定变形和几何稳定变形的理论分析. 结果表明温度连续上升的快慢和温度的不均匀的大小对稳定变形有影响, 温度上升越快, 温度越不均匀, 载荷稳定和几何稳定所对应的均匀应变越小; 应变硬化效应是超塑性拉伸变形稳定性的必要条件, 在载荷失稳时并不同时产生几何失稳, 而是能持续一段均匀变形才出现; 在超塑性温度区, 恒温不是呈现超塑性的必要条件, 但是在变形过程中温度上升的越慢, 温度越均匀, 变形的稳定性越好.     

高性能高应变InGaAs量子阱脊型波导半导体激光器

介绍了利用分子束外延系统生长高应变InGaAs量子阱半导体激光器材料, 采用脉冲阳极氧化技术制作脊型波导半导体激光器. 4 μm条宽脊型波导半导体激光器在室温下单面连续输出功率达到50 mW. 腔长600 μm时, 器件阈值电流密度为300 A/cm2. 在100 mA电流下, 激光器的峰值波长为1.19 μm, 激光器的最大斜率效率为0.45 W/A. 在20℃至100℃温度下, 激光器的特征温度为129 K.     

压电光子学效应及其应用

近年来,压电光子学作为一个新兴的研究领域吸引了学者们的广泛关注.压电光子学效应是压电半导体的压电极化和光激发的耦合,是利用应变诱导的压电极化调控材料能带结构进而控制电子-空穴的复合发光过程.压电光子学效应为新光源、智能触觉传感和机械光子学等重要技术提供了研究基础,尤其结合第三代、第四代半导体材料同时具有压电效应和半导体特性的优势,有望实现高性能的力-致发光器件.本文简要介绍了压电光子学效应的基本原理、材料体系以及压电光子学器件的研究进展,并对这一学科的未来发展进行了展望.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

应力水平对3D C/C复合材料的弯弯疲劳损伤模式的影响

测定了3D C/C复合材料的弯弯疲劳寿命曲线以及疲劳加载过程中的载荷-挠度回滞曲线, 通过试件实物照片和SEM疲劳断口分析, 研究了在不同应力水平下材料的损伤模式. 研究结果表明, 3D C/C复合材料的弯弯疲劳极限为203 MPa, 应力水平为静弯曲强度的92%, 远高于2D C/C复合材料. 随应力水平的提高, 材料的疲劳载荷-挠度回滞曲线由弹性滞后环向非弹性滞后环转化, 挠度显著增加. 揭示了纤维与基体界面的滑动磨损在疲劳失效中起重要的作用, 应力水平的高低控制着这种滑动磨损的程度和速度.     

用Auricchio&Sacco本构模型分析形状记忆合金的力学性能

为研究形状记忆合金材料的超弹性特征,用AuricchioSacco本构模型对形状记忆合金材料的力学特性进行数值模拟研究。结果表明,升高温度会引起四个相的变应力增高,并造成屈服平台上升;屈服平台部分相的应变增长率随温度升高而降低,但变化幅度却较小;随应变幅值的增大,形状记忆合金的相变应力线性增大,屈服平台部分相的应变量随之增加,形状记忆合金的耗能能力和等效阻尼比也明显增大。