王 棟，王云志，李 巨

(西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院金屬?gòu)?qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049)

鐵性智能材料的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)展

王 棟，王云志，李 巨

(西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院金屬?gòu)?qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049)

形狀記憶合金、壓電和磁致伸縮三類智能材料具有從序參量到疇結(jié)構(gòu)到宏觀性質(zhì)平行的物理性質(zhì)，將三類智能材料作為一個(gè)統(tǒng)一體進(jìn)行研究是目前國(guó)際研究趨勢(shì)。將三類智能材料進(jìn)行綜合，探尋其共同的物理基礎(chǔ)以指導(dǎo)新材料開發(fā)是如今鐵性智能材料面臨的最大挑戰(zhàn)。缺陷作為重要的改性手段，在鐵性智能材料微結(jié)構(gòu)演化、相穩(wěn)定、宏觀性能方面起到重要作用。重點(diǎn)介紹缺陷在三類智能材料中的重要作用的理論研究及計(jì)算機(jī)模擬的研究進(jìn)展以及存在的問題，為尋找高性能化鐵性智能材料提供理論方向。

鐵性智能材料;缺陷;計(jì)算機(jī)模擬;鐵性玻璃;準(zhǔn)同型相界

1 前言

形狀記憶合金、壓電材料以及磁致伸縮材料相對(duì)應(yīng)的序參量(應(yīng)變、極化和磁化)響應(yīng)外場(chǎng)不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)滯后回線的性質(zhì)，具有這一性質(zhì)的材料被統(tǒng)稱為鐵性材料［1－4］。具有鐵性性質(zhì)、并且具有感知溫度、力、電、磁等外界環(huán)境并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的一類功能材料被稱為鐵性智能材料。三類智能材料以其優(yōu)異的性能(形狀記憶性能、壓電性能以及磁致伸縮性能)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，電子工業(yè)，醫(yī)學(xué)，航空航天及國(guó)防領(lǐng)域［4－9］。然而社會(huì)的飛速發(fā)展對(duì)智能材料的性能提出了前所未有的要求(大應(yīng)變、高靈敏、寬溫域等)，亟待發(fā)現(xiàn)和研究高性能的智能材料。而如何有效地開發(fā)新型智能材料并降低成本是我們面臨的重要挑戰(zhàn)，計(jì)算機(jī)硬件和模擬軟件的發(fā)展，為通過計(jì)算機(jī)模擬來降低材料設(shè)計(jì)開發(fā)成本和提高效率提供了強(qiáng)有力的手段，而智能材料相關(guān)理論模型的建立為其開發(fā)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

三類鐵性智能材料的性能都和其體系中存在的相變有關(guān)，溫度、力、電、磁所誘發(fā)的馬氏體相變、鐵電相變、磁性相變分別是形狀記憶合金超彈性行為、壓電材料電致應(yīng)變、以及鐵磁材料磁致伸縮性能的基礎(chǔ)，因此，通過改善三類材料的鐵性相變行為，對(duì)于開發(fā)新型智能材料非常重要。作為材料改性的重要手段，通過控制材料中缺陷的狀態(tài)來控制三類鐵性智能材料的相變行為［10］，并依賴?yán)碚撃M與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，來實(shí)現(xiàn)高性能智能材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)，這是現(xiàn)階段鐵性智能材料研究的主要思路。

作為現(xiàn)代科學(xué)重要的研究手段，鐵性智能材料的計(jì)算機(jī)模擬在降低開發(fā)成本，提高效率方面起到至關(guān)重要作用，是鐵性智能材料開發(fā)的必要環(huán)節(jié)。而前期的工作是將三類材料理論模擬研究分別局限于各自的領(lǐng)域，沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的物理基礎(chǔ)［11－13］，限制了三類智能材料高性能化發(fā)展。任曉兵課題組近期做了大量關(guān)于統(tǒng)一三類智能材料的實(shí)驗(yàn)研究工作［14－20］，通過考慮形狀記憶合金、壓電材料和磁致伸縮材料之間的物理平行性，積極探索三類材料的共同物理基礎(chǔ)，并將創(chuàng)建一門多學(xué)科交叉的新學(xué)科——鐵性材料學(xué)?；谶@一新的鐵性材料學(xué)，急需建立三類智能材料統(tǒng)一的物理基礎(chǔ)，并以此來指導(dǎo)計(jì)算機(jī)理論模擬工作。簡(jiǎn)單來說，基于三類材料的物理平行性，三類材料的相變過程及微結(jié)構(gòu)，可以用類似的特征序參量η來描述(鐵彈體系中的應(yīng)變場(chǎng)ε，鐵電體系中的極化場(chǎng)P，以及鐵磁體系中的磁化場(chǎng)M)［21－22］。鐵電材料自由能F與序參量η的關(guān)系由(1)式表達(dá)，圖1給出了F與η的關(guān)系曲線。

圖1 不同溫度下的鐵性材料自由能與序參量的關(guān)系Fig.1 Influence of order parameters on free energy under different temperature for ferroic materials

目前，基于三類材料物理性質(zhì)的平行性，鐵性智能材料的高性能化研究，主要集中在兩個(gè)方面:鐵性玻璃和鐵性材料準(zhǔn)同型相界。

2 鐵性材料理論研究

2.1 鐵性玻璃轉(zhuǎn)變的計(jì)算機(jī)模擬

一般的玻璃態(tài)指的是熱力學(xué)非平衡凍結(jié)無序態(tài)，原子結(jié)構(gòu)排列失去了周期性。在三類鐵性材料(形狀記憶合金、壓電材料和磁致伸縮材料)中，也會(huì)出現(xiàn)類似的無序態(tài)——鐵性玻璃態(tài)，這種玻璃態(tài)不同于一般的原子排列無序，它是一種序參量的無序態(tài)。具有廣泛應(yīng)用的弛豫鐵電體，就是在壓電材料體系中出現(xiàn)的玻璃態(tài)，它是一種無序分布的短程電偶極子被凍結(jié)的狀態(tài)［23－25］。而在鐵磁材料中也存在著類似的玻璃態(tài)——自旋玻璃態(tài)，它是局域有序而長(zhǎng)程無序的自旋凍結(jié)態(tài)［26－28］。但是，很長(zhǎng)時(shí)間以來，人們并沒有發(fā)現(xiàn)類似的玻璃態(tài)存在于形狀記憶合金中，任曉兵課題組基于三類材料的平行相似性，預(yù)測(cè)并首次發(fā)現(xiàn)了形狀記憶合金中的玻璃態(tài)——應(yīng)變玻璃態(tài)［29］。類似于弛豫鐵電體和自旋玻璃，應(yīng)變玻璃本質(zhì)上是體系點(diǎn)陣應(yīng)變被凍結(jié)的短程有序長(zhǎng)程無序態(tài)。相比于形狀記憶合金中正常的馬氏體轉(zhuǎn)變(典型的一級(jí)相變特性)，應(yīng)變玻璃沒有展現(xiàn)明顯的宏觀結(jié)構(gòu)變化，而是表現(xiàn)出如動(dòng)態(tài)凍結(jié)(頻率相關(guān))［29］和各態(tài)遍歷損失［30］等重要的玻璃轉(zhuǎn)變特征。應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變可以通過在正常的馬氏體體系中摻雜點(diǎn)缺陷(替代原子或者間隙原子)來獲得［14，15，29］。大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變不僅僅存在于某個(gè)特別的體系中，它在形狀記憶合金中具有普遍存在性［11－14］，這表明應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變是形狀記憶合金中的一種基本轉(zhuǎn)變過程，并將極大地?cái)U(kuò)展形狀及合金的相變機(jī)制。最近的研究表明，點(diǎn)缺陷在應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變過程中起到至關(guān)重要的作用［31］，點(diǎn)缺陷的加入，改變了體系的相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并產(chǎn)生了局部畸變場(chǎng)，局部畸變場(chǎng)的存在，阻礙了正常馬氏體相變過程，并促使形成短程的納米馬氏體微疇即應(yīng)變玻璃結(jié)構(gòu)。納米級(jí)馬氏體微疇的存在，是應(yīng)變玻璃合金中各種奇異效應(yīng)的物理基礎(chǔ)，納米微疇對(duì)外力、溫度的響應(yīng)，及納米微疇之間的互相作用，為形狀記憶合金新的性能提供了可能的理論解釋。而形狀記憶合金中點(diǎn)缺陷－應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變相圖的建立［16］，描述了應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變過程以及形狀記憶合金中各種應(yīng)變態(tài)之間的關(guān)系，對(duì)于通過控制點(diǎn)缺陷濃度來改變相變過程提供了可能。這些關(guān)于廣義缺陷對(duì)應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變的研究，將有利于我們揭示這類新型玻璃轉(zhuǎn)變微觀起源和建立全面預(yù)測(cè)材料物理性能的新理論。

應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變不僅具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義，其奇異特性還可能引發(fā)全新的智能特性及應(yīng)用。應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變展示了優(yōu)異的超彈性和形狀記憶效應(yīng)，以及內(nèi)耗性能，為開發(fā)新型阻尼材料提供了可能［32－33］，并且有利于我們?cè)诟鼜V的范圍內(nèi)研究形狀記憶效應(yīng)和超彈性［34］。這些性能和應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變的玻璃化凍結(jié)過程密切相關(guān)，通過耦合形狀記憶合金的超彈性行為和形狀記憶效應(yīng)與玻璃化轉(zhuǎn)變過程，納米微疇對(duì)外加應(yīng)力的響應(yīng)可能為應(yīng)變玻璃合金帶來新的奇異性能，即可能為開發(fā)窄滯后、寬溫域超彈性合金提供可能［35］。

隨著應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變?cè)趯?shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)，以及三類鐵性玻璃擁有的巨大應(yīng)用潛力［36－37］，關(guān)于建立三類材料玻璃化轉(zhuǎn)變的統(tǒng)一理論機(jī)制的研究越來越重要。關(guān)于鐵性玻璃的本質(zhì)，現(xiàn)有的理論模型主要有兩類觀點(diǎn):(Ⅰ)鐵性玻璃態(tài)是缺陷阻礙導(dǎo)致體系的長(zhǎng)程疇(馬氏體、鐵電體以及長(zhǎng)程磁疇)被打破成短程納米疇的狀態(tài)，其本質(zhì)是長(zhǎng)程疇的短程納米化［38］;(Ⅱ)鐵性玻璃態(tài)是缺陷誘發(fā)的一種新的不同于長(zhǎng)程疇的短程序，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不依賴于長(zhǎng)程疇的取向和大?。?9］。關(guān)于這兩類機(jī)制的正確性，現(xiàn)在仍然存在爭(zhēng)論，因?yàn)閮煞N機(jī)制都可以解釋鐵性玻璃中的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但是，最近實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)［23］，在鐵電材料中的弛豫鐵電體，其實(shí)是一種長(zhǎng)程鐵電體被打破的短程納米疇結(jié)構(gòu)，研究人員通過電滯回線和高分辨透射電鏡的觀察，為觀點(diǎn)(Ⅰ)的正確性提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這一實(shí)驗(yàn)工作極大地刺激了鐵性玻璃轉(zhuǎn)變的理論研究工作，并為我們統(tǒng)一鐵性玻璃轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制提供了思路，是否在類似的應(yīng)變玻璃和自旋玻璃中，我們也可以用同樣的機(jī)制(Ⅰ)來解釋其本質(zhì)?同時(shí)，基于理論機(jī)制(Ⅱ)的應(yīng)變玻璃模擬工作［40］，同樣解釋了應(yīng)變玻璃中的某些現(xiàn)象，但是并不能完全解釋實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變相變相圖［14，16］，而基于機(jī)制(Ⅰ)的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬［31］，不僅僅解釋了應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變奇異性能，而且所建立的相變相圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了觀點(diǎn)(Ⅰ)的有效性。另外，為了建立統(tǒng)一的鐵性玻璃轉(zhuǎn)變理論模型，基于弛豫鐵電體的最新實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)［23］，以及鐵性玻璃轉(zhuǎn)變的理論機(jī)制(Ⅰ)，我們對(duì)弛豫鐵電體進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬，模擬結(jié)果可以解釋所有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的奇異現(xiàn)象，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 形狀記憶合金中的應(yīng)變玻璃轉(zhuǎn)變的微觀結(jié)構(gòu)演化(a)及鐵電智能材料中的弛豫鐵電體玻璃化轉(zhuǎn)變(b)Fig.2 Microstructural evolution of strain glass in shape memory alloys(a)and relaxor vitrifing transformation in ferroelectric materials(b)

建立缺陷－鐵性玻璃轉(zhuǎn)變的理論模型，對(duì)于指導(dǎo)我們更加有效的開發(fā)和設(shè)計(jì)新型鐵性玻璃材料具有重要的理論意義。同時(shí)，基于建立的缺陷－鐵性玻璃轉(zhuǎn)變理論模型，及耦合外場(chǎng)(溫度、應(yīng)力、電、磁等)，將為探尋鐵性玻璃合金奇異性能的物理本質(zhì)，并最終指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)開發(fā)設(shè)計(jì)高性能(窄滯后、寬溫域、大應(yīng)變、高靈敏)的鐵性玻璃材料作出貢獻(xiàn)。雖然這一模型的建立將為鐵性智能材料的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供巨大的支持，但是仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，即如何建立不同體系的定量模型，如何獲得需要符合實(shí)際的輸入?yún)?shù)，因此，需要第一性原理關(guān)于缺陷狀態(tài)、短程有序度、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變間的能壘和速度等計(jì)算，其將為我們提供切實(shí)可信的輸入?yún)?shù)，為進(jìn)一步的大尺度原子模擬和介觀相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬提供基礎(chǔ)。

2.2 準(zhǔn)同型相界的計(jì)算機(jī)模擬

準(zhǔn)同型相界MPB(Morphotropic Phase Boundary)在材料中普遍存在，并極大地影響材料的各種性能。由于成分不同，在不同體系的溫度－成分相圖上，隨著成分的改變，相結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生改變，而分離兩種相的邊界就稱為準(zhǔn)同型相界［41－42］。一般來說，在這個(gè)準(zhǔn)同型相界成分下，這兩種相結(jié)構(gòu)是共存的。兩相共存可以降低體系的各向異性，并進(jìn)一步可能導(dǎo)致一些優(yōu)異的性能，例如最常見的PZT壓電陶瓷［43］:在相圖上我們很容易看到在室溫下，在富Zr區(qū)標(biāo)記為R相，也就是三方相;而在富Ti區(qū)標(biāo)記為T相，也就是四方相;那么R相和T相必將有一個(gè)相界線，這個(gè)相界線就是準(zhǔn)同型相界，它對(duì)應(yīng)的成分是Zr∶Ti=52∶48，而在這一成分下，PZT的壓電系數(shù)最大。關(guān)于三類智能材料的準(zhǔn)同型相界的研究，過去主要集中在壓電材料中，很長(zhǎng)時(shí)間里，在其它智能材料體系中例如形狀記憶合金、磁致伸縮材料，未見關(guān)于準(zhǔn)同型相界的報(bào)道。直到最近，依據(jù)最新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究人員在鐵磁相變體系中發(fā)現(xiàn)了類似的MPB現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)磁MPB附近伴隨著優(yōu)異的磁學(xué)性能［20］?；趬弘姴牧虾丸F磁體系中的MPB現(xiàn)象，考慮三臨界點(diǎn)和MPB導(dǎo)致的相失穩(wěn)狀態(tài)，可以獲得能量輸出最大化和耗散最小化的高性能原理。研究相失穩(wěn)狀態(tài)下應(yīng)變疇、磁疇和電疇的相互關(guān)聯(lián)性，闡明多尺度微結(jié)構(gòu)單元(晶體取向、疇取向、微應(yīng)力、點(diǎn)缺陷)變化與宏觀性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性，建立三類材料統(tǒng)一的成分與序參量耦合的MPB模型，是新型智能材料設(shè)計(jì)面臨的主要課題。

基于MPB的原理，任曉兵課題組設(shè)計(jì)出了高性能的無Pb壓電材料［19］，提出了有效提高壓電性能的理論，對(duì)開發(fā)高性能無Pb壓電材料指明了重要方向并提供了有效方法。該理論表明:大壓電性能與Pb并無必要聯(lián)系，鋯鈦酸鉛只是滿足了該理論的要求的一個(gè)體系，所有滿足該理論要求的體系都可以產(chǎn)生大的壓電性?；谠摾碚摚溲芯啃〗M設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的無Pb壓電材料——鋯鈦酸鋇鈣［19］。他們的研究結(jié)果顯示:該無Pb壓電材料具有令人驚異的壓電性能，壓電系數(shù)高達(dá)620 pC/N，這超過了鋯鈦酸鉛的性能(250～590 pC/N)。這是50多年來無Pb壓電材料的性能首次超越壓電材料的經(jīng)典體系——鋯鈦酸鉛。這項(xiàng)成果對(duì)無Pb壓電材料的研究開發(fā)具有重要意義，它不僅研發(fā)出一種可以和鋯鈦酸鉛相媲美的對(duì)環(huán)境無害的壓電材料，更重要的是，指出了開發(fā)大壓電性能材料的新方法。該方法可望導(dǎo)致今后出現(xiàn)更多更好的無Pb壓電材料，從而引發(fā)長(zhǎng)期使用有害的鋯鈦酸鉛向無Pb壓電材料的變革。同時(shí)，任曉兵等人基于相同的思路，利用高精密的同步輻射XRD實(shí)驗(yàn)首次在鐵磁體系中，發(fā)現(xiàn)存在一種“磁性準(zhǔn)同型相界(MPB)”，處于該相界的磁性磁性材料成分具有巨大的磁致伸縮效應(yīng)［20］。這一發(fā)現(xiàn)為尋找和設(shè)計(jì)具有巨磁致伸縮效應(yīng)的智能材料提供了一種高效的途徑。

雖然實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提供了令人振奮的消息，但是如何通過理論來高效、低成本的尋找高性能的無Pb壓電材料、巨磁致伸縮材料是我們現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，為我們革新以往依賴“炒菜”的方法尋找高性能智能材料提供了可能。另外，應(yīng)用壓電材料的MPB理論，結(jié)合點(diǎn)陣應(yīng)變這個(gè)序參量，對(duì)于尋找可能的高性能形狀記憶合金，并建立形狀記憶合金的MPB理論有重要的指導(dǎo)意義，這將為開發(fā)三類鐵性智能材料提供了統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段關(guān)于MPB的理論模擬，主要集中在如何通過控制體系的成分，揭示三相點(diǎn)與三重臨界點(diǎn)之間的關(guān)系，探尋相轉(zhuǎn)變的最低能量勢(shì)壘，最終建立鐵性智能材料高性能化的微觀機(jī)制。在鐵電領(lǐng)域，研究人員關(guān)于MPB進(jìn)行了大量深入的研究［44－47］，基于 Rossetti［46］和 Haun［45］的研究工作，我們可以建立關(guān)于成分、溫度和自由能的泛函:

其中A(x，T)，B(x，n)和C(x，n)是與溫度、濃度及極化方向相關(guān)的系數(shù)，并影響著三重臨界點(diǎn)的能量勢(shì)壘。MPB附近成分體系表現(xiàn)出能量各向同性的特征，這一特征導(dǎo)致了相轉(zhuǎn)變的勢(shì)壘消失，并導(dǎo)致相失穩(wěn)，體系處于騎墻狀態(tài)，很小的外場(chǎng)將導(dǎo)致巨大的響應(yīng)。如何建立三類不同的鐵性智能材料的準(zhǔn)同型相界模型，并指導(dǎo)新材料的開發(fā)，成為研究熱點(diǎn)。最近，西安交通大學(xué)李巨課題組通過第一性原理計(jì)算，首先揭示了PbTiO3在等靜壓力作用下的準(zhǔn)同型相界(MPB)附近晶格結(jié)構(gòu)的自由能表面(圖3)，發(fā)現(xiàn)該材料在MPB兩側(cè)的四方晶格相(T)和菱方晶格相(R)間確實(shí)有很低的轉(zhuǎn)化能壘，這證明了該材料在MPB附近的極化方向的易旋轉(zhuǎn)性，從原子尺度上揭示了該材料高性能的起源。基于這一思路，進(jìn)一步的理論計(jì)算將主要探尋低的轉(zhuǎn)化能壘的無Pb鐵電材料，并將其擴(kuò)展到另外兩類鐵性材料中。

圖3 PbTiO3在等靜壓力作用下的MPB附近的自由能表面:(a)4GPa，(b)6GPaFig.3 Free energy surface near MPB in PbTiO3under hydrostatic pressure:(a)4GPa and(b)6GPa

另外，在鐵電材料中關(guān)于準(zhǔn)同型相界上微觀結(jié)構(gòu)還存在爭(zhēng)議，即其微觀結(jié)構(gòu)是兩相共存(R相與T相)還是另一單斜相(M相)。王云志課題組關(guān)于MPB的初步相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬表明，兩相共存的微觀狀態(tài)強(qiáng)烈的依賴于兩相之間的勢(shì)壘，如圖4所示。圖5描述了相對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)演化，高的相轉(zhuǎn)變勢(shì)壘下(各向異性)，兩相共存并存在明顯的相界面，而低的相轉(zhuǎn)變勢(shì)壘下(各向同性)，體系明顯處于一種混亂狀態(tài)，沒有明顯的相界面?；趯?shí)驗(yàn)所建立的準(zhǔn)同型相界(MPB)理論的巨大應(yīng)用潛力，通過相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)與第一性原理的結(jié)合，探究三類鐵性智能材料MPB的物理源頭，并依賴第一性原理計(jì)算所得的參數(shù)，引入相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)之中，通過缺陷濃度來改變不同溫度的自由能曲線，以在MPB相界上產(chǎn)生兩相共存態(tài)，研究MPB相界上的相變過程，以及造成巨大電致應(yīng)變的理論解釋，為選擇開發(fā)無Pb壓電材料提供理論依據(jù)。

圖4 鐵電智能材料中準(zhǔn)同型相界附近的極化各向異性、極化各向同性性質(zhì)對(duì)智能材料能量勢(shì)壘的影響:(a)和(b)分別描述極化各向同性和極化各向異性的三維自由能曲面，(c)和(d)分別描述極化各相同性和極化各向異性自由能曲面的投影，(e)描述兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量勢(shì)壘。η1，η2為代表兩相(T相和R相)的序參量Fig.4 Energy barrier for polarization anisotropy(ANISO)and polarization isotropy(ISO):(a)，(b)3D free energy surface for ANISO and ISO respectively;(c)，(d)corresponding to free energy projection;(e)corresponding to energy barrier in(c)and(d).η1，η2showing order parameter of T and R phase respectively

另外，除了上述的鐵性玻璃和準(zhǔn)同型相界的理論模擬之外，鐵性智能材料的另一研究熱點(diǎn)是多鐵性材料。智能器件通常在電力磁熱耦合載荷環(huán)境下工作，也正是因?yàn)轳詈闲?yīng)，使相關(guān)的力學(xué)分析特別是三維分析變得十分復(fù)雜。在深入研究與理解鐵性功能材料微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，展開力－電耦合，電－磁耦合等多鐵材料的研究。多鐵性材料不但有鐵彈、鐵電、鐵磁等多種鐵性共存，更重要的是鐵電性與磁性相互耦合將產(chǎn)生新的性能，例如壓電效應(yīng)與磁電效應(yīng)，通過控制力場(chǎng)或者磁場(chǎng)來產(chǎn)生極化電荷。這種多功能材料為發(fā)展基于鐵電－磁性集成效應(yīng)的新型信息存儲(chǔ)處理器以及磁電器件提供了巨大的潛在應(yīng)用前景，已成為近來國(guó)際上一個(gè)新的而且重要的研究領(lǐng)域。因此，探索新型多鐵性材料，提高磁電耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)巨磁電耦合響應(yīng)，建立微觀物理機(jī)制等，都是亟待解決的關(guān)鍵問題。利用相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究以及第一性原理的計(jì)算，為多鐵材料的相變耦合微觀機(jī)制進(jìn)行剖析，從而為指導(dǎo)設(shè)計(jì)高性能多鐵材料提供理論依據(jù)，并將推進(jìn)多鐵材料的理論研究與應(yīng)用開發(fā)。

圖5 鐵電材料不同能量勢(shì)壘對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài):各向異性(高的能量勢(shì)壘)的三維微觀結(jié)構(gòu)(a)及對(duì)應(yīng)(001)面上的微觀結(jié)構(gòu)(c)，各向同性(低的能量勢(shì)壘)的三維微觀結(jié)構(gòu)(b)及對(duì)應(yīng)(001)面微觀結(jié)構(gòu)(d)Fig.5 Microstructure for(a)polarization anisotropy(high energy barrier)and(b)polarization isotropy(low energy barrier)，(c)and(d)showing two-dimensional microstructure of corresponding to(a)and(b)

3 結(jié)語

缺陷在調(diào)節(jié)鐵性智能材料性能方面起著關(guān)鍵作用，缺陷的引入誘發(fā)新型的微觀結(jié)構(gòu)(鐵性玻璃態(tài))，并可能產(chǎn)生巨大的應(yīng)用潛力(準(zhǔn)同型相界)。鐵性材料的理論模擬以往主要局限于各自的領(lǐng)域，沒有形成統(tǒng)一的物理基礎(chǔ)，限制了三類材料高性能化的發(fā)展。未來關(guān)于鐵性材料的理論模擬，將基于三類材料的物理平行性，運(yùn)用多尺度模擬方法(第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)、相場(chǎng)理論等)來預(yù)測(cè)廣義缺陷(摻雜、溶質(zhì)原子等)對(duì)于鐵性智能材料微結(jié)構(gòu)、相變和外場(chǎng)響應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上建立鐵性智能材料缺陷－微觀結(jié)構(gòu)－性能統(tǒng)一理論模型，并展開計(jì)算機(jī)模擬，從而為新型智能材料的研發(fā)與應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)性能最大化提供理論依據(jù)。

References

［1］Wadhawan V K.Introduction to Ferroic Materials［M］.Amsterdam:Gordon ＆ Breach，2000.

［2］Salje E K H.Phase Transitions in Ferroelastic and Coelastic Materials［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1990.

［3］McCurrie R A，F(xiàn)erromagnetic Materials:Structure and Properties［M］.London:Academic Press，1994.

［4］Uchino K，Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors［M］.Boston:Kluwer，1996.

［5］Duerig T，Pelton A，Stockel D.An Overview of Nitinol Medical Applications［J］.Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing，1999，273:149.

［6］Janke L，Czaderski C，Motavalli M，etal.Applications of Shape Memory Alloys in Civil Engineering Structures-Overview，Limits and New ideas［J］.Materials and Structures，2005，38:578.

［7］Kahn H，Huff M A，Heuer A H，The TiNi Shape-Memory Alloy and Its Applications for MEMS［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering 1998，(8):213.

［8］Machado L G，Savi M A.Medical Applications of Shape Memory Alloys［J］.Brazilian Journal of Medical and Biological Research，2003，36:683.

［9］Morgan N B.Medical Shape Memory Alloy Applications-the Market and Its products［J］.Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing，2004，378:16.

［10］Otsuka K，Ren X.Physical Metallurgy of Ti-Ni-Based Shape Memory Alloys［J］. Progress in Materials Science，2005，50:511.

［11］Kittel C.Physical Theory of Ferromagnetic Domains［J］.Reviews of Modern Physics，1949，21:541.

［12］Devonshire A F.Theory of Ferroelectrics［J］.Advances in Physics，1954，85:130.

［13］Wayman C M.Introduction to the Crystallography of Martensitic Transformations［M］.New York:Macmillan，1964.

［14］Zhang Z，Wang Y，Wang D，etal.Phase Diagram of Ti50－xNi50+x:Crossover from Martensite to Strain Glass［J］.Physical Review B，2010，81:224 102.

［15］Zhou Y，Xue D，Ding X，etal.，Strain Glass in Doped Ti50-Ni50xDx(D=Co，Cr，Mn)Alloys:Implication for the Generality of Strain Glass in Defect-Containing Ferroelastic Systems［J］.Acta Materiialia，2010，58:5 433.

［16］Wang D，Zhang Z，Zhang J，etal.，Strain Glass in Fe-Doped Ti-Ni［J］.Acta Materiialia，2010，58:6 206.

［17］Ren X，Wang Y，Zhou Y，etal.Strain Glass in Ferroelastic Systems:Premartensitic Tweed Versus Strain Glass［J］.Philosophical Magazine，2010，90:141.

［18］Wang Y，Ren X，Otsuka K，etal.Temperature-Stress Phase Diagram of Strain Glass Ti48.5Ni51.5［J］.Acta Materiialia，2008，56:2 885.

［19］Liu W，Ren X.Large Piezoelectric Effect in Pb-Free Ceramics［J］.Physical Review Letters，2009，103:257 602.

［20］Yang S，Bao H，Zhou C，etal.Large Magnetostriction from Morphotropic Phase Boundary in Ferromagnets［J］.Physical Review Letters，2010，104:197 201.

［21］Levanyuk A P，Sigov A，Defects and Structural Phase Transitions［M］.New York:Gordon and Breach Science，1988.

［22］Sethna J P.Statistical Mechanics:Entropy，Order Parameters，and Complexity［M］.New York:Oxford University Press，2006.

［23］Fu D，Taniguchi H，Itoh M，etal.Relaxor Pb(Mg1/3Nb2/3)O3:A Ferroelectric with Multiple Inhomogeneities physical［J］.Review Letters，2009，103:207 601.

［24］Cross L E.Relaxor Ferroelectrics［J］.Springer Series in Materials Science，2008，114:131.

［25］Imry Y，Ma S K.Random-Field Instability of the Ordered State of Continuous Symmetry［J］.Physical Review Letters，1975，35:1 399.

［26］Kartha S，Castán T，Krumhansl J A，etal.Spin-Glass Nature of Tweed Precursors in Martensitic Transformations［J］.Physical Review Letters，1991，67:3 630.

［27］Binder K，Young A P.Spin Glasses:Experimental Facts，Theoretical Concepts，and Open Questions［J］.Reviews of Modern Physics，1986，58:801.

［28］Mydosh J A，Spin Glass:A Experimental Introduction［M］.London and Washington:Taylor＆ Francis，Dartmouth College，1993.

［29］Sarkar Shampa，Ren Xiaobing，Otsuka K，Evidence for Strain Glass in the Ferroelastic-Martensitic System Ti50－xNi50+x［J］.Physical Review Letters，2005，95:205 702.

［30］Wang Yu，Ren Xiaobing，Otsuka Kazuhiro，etal.Evidence for Broken Ergodicity in Strain Glass［J］.Physical Review B，2007，76:132 201.

［31］Wang D，Wang Y，Zhang Z，etal.Modeling Abnormal Strain States in Ferroelastic Systems:the Role of Point Defects［J］.Physical Review Letters，2010，105:205 702.

［32］Zhou Y M，Xue D Z，Ding X D，etal.High Temperature Strain Glass in Ti50Pd50－xCrxAlloy and the Associated Shape Memory Effect and Superelasticity［J］.Appl Phys Lett，2009，95:3.

［33］Zhou Y M，Xue D Z，Ding X D，etal.Strain Glass in Doped Ti50Ni50－xDx(D=Co，Cr，Mn)Alloys:Implication for the Generality of Strain Glass in Defect-Containing Ferroelastic Systems［J］.Acta Materialia，2010，58:5 433.

［34］Wang Y，Ren X，Otsuka K.Shape Memory Effect and Superelasticity in a Strain Glass Alloy［J］.Physical Review Letters，2006，97:225 703.

［35］Nii Y，Arima T，Kim H Y，etal.Effect of Randomness on Ferroelastic Transitions:Disorder-Induced Hysteresis Loop Rounding in Ti-Nb-O Martensitic Alloy［J］.Physical Review B，2010，82:214 104.

［36］Kutnjak Z，Petzelt J，Blinc R.The Giant Electromechanical Response in Ferroelectric Relaxors as a Critical Phenomenon［J］.Nature，2006，441:956.

［37］Zhou Y，Xue D，Ding X，etal.High Temperature Strain Glass in Ti50Pd50－xCxAlloy and the Associated Shape Memory Effect and Superelasticity［J］.Applied Physics Letters，2009，95:151 906.

［38］Westphal V，Kleemann W，Glinchuk M D.Diffuse Phase Transitions and Random-Field-Induced Domain States of the Relaxor Ferroelectric PbMg{1/3}Nb{2/3}O{3}［J］.Physical Review Letters，1992，68:847.

［39］Colla E V，Koroleva E Y，Okuneva N M，etal.Long-Time Relaxation of the Dielectric Response in Lead Magnoniobate［J］.Physical Review Letters，1995，74:1 681.

［40］Vasseur R，Lookman T.Effects of Disorder in Ferroelastics:A Spin Model for Strain Glass［J］.Physical Review B，2010，81:094 107.

［41］Jaffe B.Piezoelectric Ceramics［M］.London and New York:Academic Press，1971.

［42］Uchino K.Ferroelectric devices［M］.New York:Marcel Dekker，2000.

［43］Jaffe B，Roth R S，Marzullo S.Piezoelectric Properties of Lead Zirconate lead Titanate Solid Solution Ceramics［J］.J Appl Phys，1954，25:809.

［44］Rao W F，Wang Y U.Bridging Domain Mechanism for Phase Coexistence in Morphotropic Phase Boundary Ferroelectrics［J］.Applied Physics Letters，2007，90:182 906.

［45］Haun M J，F(xiàn)urman E，Jang S J，etal.Cross，Thermodynamic Theory of the Lead Zirconate-Titanate Solid Solution System，Part V:Theoretical Calculations［J］.Ferroelectrics，1989，99:63.

［46］Rossetti G A，Khachaturyan A G，Akcay G，etal.Ferroelectric Solid Solutions with Morphotropic Boundaries:Vanishing Polarization Anisotropy，Adaptive，Polar Glass，and Two-Phase States［J］.Appl Phys Lett，2008，103:114 113.

［49］Jin Y M，Wang Y U，Khachaturyan A G，etal.Conformal Miniaturization of Domains with Low Domain-Wall Energy:Monoclinic Ferroelectric States near the Morphotropic Phase Boundaries［J］.Physical Review Letters，2003，91:197 601.

Progress in Computer Simulations of Ferroic Smart Materials

WANG Dong，WANG Yunzhi，LI Ju
(State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials，F(xiàn)rontier Institute of Science and Technology，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

Ferroic smart materials including shape memory alloys，piezoelectric materials，magnetostrictive materials，etc.have similarities from order parameter to domain structure and macro-properties.Modelling these materials based on common physical principles in an integrative fashion might be helpful.However，we still face great challenges in this task，which impact the development and design of new smart materials.It is known that defects play an important role in controlling the microstructural evolution，phase stability and macro-properties.In this paper，we focus on the simulation studies of the roles of defects in these smart materials and identify potential opportunities in the search for high-performance smart materials.

ferroic smart materials;defects;simulation;ferroic glass;morphotropic phase boundary(MPB)

TG139.6

A

1674－3962(2012)03－0008－07

2012－02－29

科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB619402)

王 棟，1983年生，男，博士

李 巨，1975年生，男，博士生導(dǎo)師