北理工團(tuán)隊(duì)在應(yīng)變梯度工程研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-04-25 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學(xué)方岱寧院士,、洪家旺教授團(tuán)隊(duì)在應(yīng)變梯度工程研究中取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一種驅(qū)動(dòng)鐵電材料非對稱力學(xué)性質(zhì)的新物理機(jī)制——撓曲形變效應(yīng)(Flexo-deformation effect),，相關(guān)成果以“Asymmetric Mechanical Properties in Ferroelectrics Driven by Flexo-deformation Effect”為題發(fā)表于固體力學(xué)領(lǐng)域的頂級期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。文章第一作者為博士生倫應(yīng)焯。
先進(jìn)功能材料中的多場耦合力學(xué)行為是近年來固體力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。撓曲電效應(yīng)是該領(lǐng)域內(nèi)繼壓電效應(yīng)后備受關(guān)注的一種新型的力電耦合效應(yīng),，其指的是電介質(zhì)材料在應(yīng)變梯度作用下產(chǎn)生電極化的物理現(xiàn)象。由于應(yīng)變梯度隨結(jié)構(gòu)尺寸的降低而顯著增強(qiáng),，使得撓曲電效應(yīng)在微納尺度下對材料的力,、電、熱,、磁,、光等物理力學(xué)性質(zhì)具有重要的影響，并誘導(dǎo)出各種新穎的物理效應(yīng),。除了應(yīng)變梯度與電學(xué)量耦合產(chǎn)生的撓曲電效應(yīng),，近年來出現(xiàn)了應(yīng)變梯度與其他物理量的耦合效應(yīng)，如撓曲磁效應(yīng),、撓曲光伏效應(yīng),、撓曲熱釋電效應(yīng)等等（如圖1所示），具有重要的應(yīng)用前景,。
圖1. 應(yīng)變梯度誘導(dǎo)的新奇多物理場耦合現(xiàn)象,。
相比于撓曲電效應(yīng)在材料電學(xué)耦合行為方面的研究，撓曲電效應(yīng)對材料力學(xué)性質(zhì)的影響仍缺乏深入的探索和理解,，特別是對于微納尺度下材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究,。有研究發(fā)現(xiàn)，撓曲電效應(yīng)在鐵電材料中經(jīng)常誘導(dǎo)反常的非對稱力學(xué)行為,，如非對稱壓痕接觸剛度與非對稱裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象,，這對基于撓曲電效應(yīng)的微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要影響。然而,，目前對于這些非對稱力學(xué)性質(zhì)的物理力學(xué)機(jī)制仍不清晰,，影響了基于撓曲電效應(yīng)的微電子器件應(yīng)用。
針對上述科學(xué)問題,，研究團(tuán)隊(duì)建立了基于撓曲電效應(yīng)與壓電效應(yīng)力電耦合框架的理論模型,，以自支撐鐵電氧化物薄膜為研究對象，定量研究了彎曲鐵電氧化物薄膜中的新奇彎脹彎縮行為（如圖2所示）,，揭示了撓曲電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)間強(qiáng)耦合作用在非對稱彎曲力學(xué)行為中的關(guān)鍵作用,，并發(fā)現(xiàn)該機(jī)制所誘導(dǎo)的的反常非對稱彎曲剛度特性（即沿相反方向彎曲鐵電材料其彎曲剛度不一樣）。由此,，進(jìn)一步提出了一種普適性的物理力學(xué)機(jī)制——撓曲形變效應(yīng)(Flexo-deformation effect),。該機(jī)制直觀簡潔的解釋了前期鐵電材料中的非對稱力學(xué)行為，如非對稱壓痕接觸剛度和非對稱裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象,?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)預(yù)測了鐵電材料中可能存在的非對稱扭轉(zhuǎn)膨脹/收縮行為和非對稱扭轉(zhuǎn)剛度（如圖3所示）。這些發(fā)現(xiàn)為深入研究鐵電體非對稱力學(xué)性質(zhì)以及開發(fā)具有非對稱力學(xué)功能特性的新型器件提供了科學(xué)依據(jù),。
圖2. (a,b)鐵電薄膜中依賴于自發(fā)極性取向的非對稱彎曲厚度膨脹/收縮力學(xué)行為,。(c) 依賴于薄膜彎曲曲率的厚度。(d) 非對稱彎曲剛度的尺寸效應(yīng),。
這項(xiàng)工作提出的撓曲形變效應(yīng)(Flexo-deformation effect),，在團(tuán)隊(duì)前期針對應(yīng)變梯度工程提出的撓曲擴(kuò)散效應(yīng)基礎(chǔ)上(Nanoscale, 12, 15175 (2020))，研究了應(yīng)變梯度與非對稱力學(xué)性能之間的耦合效應(yīng),，進(jìn)一步豐富了先進(jìn)材料中應(yīng)變梯度多場耦合研究的物理藍(lán)圖(如圖1所示),。
圖3. 撓曲形變效應(yīng)在鐵電體中誘導(dǎo)的(a,b)非對稱納米壓痕,，(c,d) 非對稱裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象,，以及預(yù)測的(e,f) 非對稱扭轉(zhuǎn)力學(xué)行為,。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金,、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目專項(xiàng),，以及北京理工大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目的資助,。
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509622000965
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