铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟

铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟关键词：铁电材料；畴结构；相场方法；物理特性；模拟1. 引言铁电材料是一种具有电介质和电极化两种基本性质的材料，具有很高的电容、介电常数和压电效应等特性，在电子器件、传感器、储能装置等方面有着广泛的应用。

铁电材料的电极化序列可分为不同方向的畴，而这些畴的畴结构影响了铁电材料的应用效果和性能。

因此，深度探究铁电材料的畴结构与物理特性是极其必要的。

2. 相场方法的基本原理相场方法是介观标准材料模拟的一种有效方法。

它将材料体系中的自由能表示为各相场的函数，并引入泊松方程描述场的变化，通过模拟自由能泛函的变化最小化体系自由能，从而达到模拟材料体系变化的目标。

相场方法的优点是直接模拟自由能，可以思量多种互相作用，模拟结果具有物理体现和可视化。

3. 铁电材料的畴结构与物理特性的相场模拟本文以铁电材料BSTO为例，接受相场方法模拟了其畴结构演化和物理特性。

模拟中，思量了各向异性、梯度和电场等因素。

结果显示，在低温下铁电畴呈现出较大的畴壁能量，并且畴的大小随温度提高而减小。

同时，在电场作用下，铁电畴的极化度也发生变化，畴结构呈现出周期性变化。

这些结果说明了畴的大小和畴结构的变化对铁电材料的性能和稳定性具有重要影响。

4. 铁电材料畴结构演化与物理特性的分析据探究认为，铁电畴的演化与物理特性与其晶格对称性、电场、应力和材料缺陷等因素密切相关。

其中，畴的大小和外形受到晶格对称性和材料各向异性的影响；畴壁的能量和畴结构的演化受到电场和应力的影响；而缺陷的存在会降低畴的形成能量并影响畴的演化过程。

因此，铁电畴的大小、外形、演化和物理特性的探究应着重思量这些因素的综合影响。

5. 结论本文接受相场方法模拟了铁电材料的畴结构演化和物理特性，得到了丰富的模拟结果，并结合试验数据进行了分析和谈论。

探究结果表明，相场方法能够有效地模拟铁电材料的畴结构演化和物理特性，为铁电材料的应用提供了有力支持和指导。

铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟在科技日新月异的现代社会,具有多场耦合特性的先进材料的发展,对于材料科学的促进作用越来越明显。

在铁电材料中,这些耦合特性包括电学-力学耦合(如压电效应和挠曲电效应)、电学-热学耦合(如热释电效应)、磁学-电学耦合、以及介电特性等等。

特别是具有应变调制特性的铁电薄膜、复合材料和多层膜结构,更是拥有广阔的发展前景。

而上述这些特性几乎都与铁电材料极化矢量的动力学行为有关,特别是极化矢量对于外部电场的响应。

计算材料学是材料研究中的一种重要工具,它是借助材料的微观结构特性来模拟计算其宏观物理性质的方法。

在本文中,将利用热力学计算方法以及相场方法来研究铁电材料的相关性质。

首先,研究铁酸铋铁电薄膜中的多畴翻转行为。

本文构建了适用于铁酸铋薄膜的相场模型,利用该模型模拟计算电场诱发的极化矢量翻转过程。

计算结果验证了多畴翻转路径选择所遵循的能量最小化机制,揭示了铁电多畴翻转模式。

结果表明,在菱形相薄膜的三种翻转路径中,71°路径是多畴翻转的首选路径。

并且电场的方向、取值和变化率都会对多畴演化过程、以及系统达到平衡状态时的畴结构造成影响。

其次,利用铁酸铋的相场模型,研究了铁电薄膜厚度对多畴翻转行为以及漏电流的影响。

通过分析不同厚度薄膜中各个路径的翻转速率,可以发现,71°翻转路径依然是首选,但翻转速率却因厚度而异。

通过计算不同厚度薄膜的电滞回线,可以得到薄膜的矫顽场与厚度的非线性关系。

结果表明,降低薄膜厚度,会增大诱发极化矢量翻转所需的外加电场,同时会降低多畴翻转效率,使薄膜完成多畴翻转的时间变长。

再次,利用热力学计算的方法,研究元素掺杂对钛酸钡物理性质的影响。

基于热力学理论和实验数据,本文构建了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体的热力学势函数。

利用该势函数,计算得到了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体的温度-成分相图,其中,钙掺杂固溶体的居里温度和四方相极化矢量都不会受到掺杂的影响,但四方相-正交相、正交相-菱形相转变温度会随掺杂量增大而降低。

PZT铁电陶瓷力电耦合的三维相场模拟
刘苹莉;马星桥;褚武扬;乔利杰
【期刊名称】《金属学报》
【年(卷),期】2008(44)8
【摘要】利用三维相场理论模拟了铁电材料的自发极化、电滞回线以及力电耦合对畴变的影响.结果表明,外场下的畴变是通过新畴形核及畴壁移动所引起的长大实现的.逐渐改变外场时,在矫顽场附近各类电畴均发生90°畴变,从而导致极化强度突变.沿垂直电场方向加拉、压应变能阻止或促进沿电场方向的畴变.
【总页数】6页(P927-932)
【关键词】铁电材料;力电耦合;三维相场模拟;畴变
【作者】刘苹莉;马星桥;褚武扬;乔利杰
【作者单位】北京科技大学腐蚀与防护中心环境断裂实验室;北京科技大学应用物理系
【正文语种】中文
【中图分类】TG111.91
【相关文献】
1.铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究 [J], 万强;陈常青;沈亚鹏
2.PZT基陶瓷铁电—反铁电相界处各向异性的研究 [J], 董显林;孙大志
3.力电耦合载荷下铁电陶瓷的极化翻转模拟 [J], 吴银忠;陶永梅;李长明
4.压电/铁电陶瓷材料夹杂问题的力电耦合场 [J], 贺岩松;范镜泓;陈旭
5.铁电陶瓷PZT53多轴力电耦合下的屈服行为 [J], 万强;陈常青;沈亚鹏
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博士：金属材料微观组织结构演化的相场法研究,毕业,毕业专题,博士：金属材料微观组织结构演化的相场法研究ﻭ金属材料微观组织结构演化的相场法研究罗志荣;【导师】高英俊;【基本信息】广西大学, 结构工程,２013，博士【摘要】金属材料特别是金属结构材料是国民经济的物质基础,在建筑、航空航天等工业领域有广泛应用。

随着科学技术的进步,人们对金属材料性能要求越来越高。

金属材料的性能与其微观组织结构（简称微结构）密切相关,研究金属材料微结构演化及其影响因素,能够实现精确地控制和设计金属材料微结构以提高金属材料的力学性能。

目前,研究材料微结构的方法主要有实验观测与计算机模拟,但仅利用实验手段难以从微观或纳观层次研究材料微结构演化的特征。

随着材料科学与计算机技术的飞速发展，借助计算机模拟材料微结构演化及优化材料参数显得尤为重要。

在众多研究材料微结构的计算方法中,相场法因具有深刻的物理思想而成为最强有力的计算方法之一。

本应用先进的相场法分别从微观尺度和纳观尺度对金属材料微结构演化进行研究。

在如下几个方面做出了创新工作：（1)针对变形合金不同变形区域的特征和体系储存能分布不均匀的特点，分别引入反映不同变形区域的储存能分布的权重因子和变形区域的特征状态因子,构造了多态自由能函数(MSＦE),提出了多态相场（MＳＰF)模型；（２)将MSＰＦ模型应用于AＺ３1镁合金的再结晶形核与长大过程以及亚晶结构的演化过程,并引入权重概率分布来反映晶粒双尺寸分布,取得明显效果；(３)构建了具有无限大温度梯度且在热区内温度均匀的移动热区相场模型来研究单相多晶材料在定向退火条件下柱状晶的形成过程。

（４)研究了外力作用下纳米晶材料中位错与晶界相互作用的细节、运动规律以及纳米级微裂纹的扩展特征。

经系统的研究和探索,取得的主要结果与结论如下：1.将MSPF模型应用于AZ31镁合金再结晶退火过程,得到的动力学规律符合JMAK理论,所得Avrａｍｉ曲线可近似看成为直线,Ａvrａｍi指数随变形量的增加而降低。

铁电畴结构简介铁电畴结构是指铁电材料中的一种有序排列方式，其中铁电畴是具有相同电极化方向的区域。

铁电材料是一类具有特殊电学性质的材料，可以在外加电场的作用下发生可逆的电极化现象。

铁电畴结构的研究对于了解铁电材料的性质和应用具有重要意义。

铁电材料的电极化现象铁电材料具有一种特殊的电极化现象，即在没有外加电场的情况下，材料中的正负电荷中心不重合，导致整个材料没有净电荷。

这种电极化是由于材料中的离子或分子发生偏移，形成了电偶极矩。

在外加电场的作用下，铁电材料的电偶极矩会发生旋转或重新排列，导致整个材料的电极化方向发生改变。

当外加电场移除时，铁电材料的电偶极矩会保持在新的方向上，这种电极化是可逆的。

铁电畴的形成铁电畴是铁电材料中的一种有序排列方式。

在铁电材料中，由于电偶极矩的存在，会导致相邻的区域具有不同的电位能。

为了降低电位能，铁电材料会形成具有相同电极化方向的区域，即铁电畴。

铁电畴的形成与材料的晶体结构和电场的作用密切相关。

在没有外加电场的情况下，铁电材料中的铁电畴会呈现随机的排列方式。

当外加电场施加在铁电材料上时，电场会对铁电畴的排列产生影响，使得畴的方向趋于一致。

铁电畴的结构铁电畴的结构可以分为单畴结构和多畴结构两种。

单畴结构单畴结构是指铁电材料中只存在一种电极化方向的畴。

在单畴结构中，所有的畴都具有相同的电极化方向，并且排列有序。

这种结构在某些铁电材料中很常见，例如二氧化锆。

多畴结构多畴结构是指铁电材料中存在多种电极化方向的畴。

在多畴结构中，不同方向的畴相互交错排列，形成复杂的结构。

多畴结构在某些铁电材料中很常见，例如钛酸钡。

铁电畴的性质和应用铁电畴结构的研究对于了解铁电材料的性质和应用具有重要意义。

首先，铁电畴的结构决定了铁电材料的电学性质。

不同方向的畴会对电磁场的响应产生不同的影响，影响材料的介电常数和压电常数等物理性质。

通过研究铁电畴的结构和性质，可以进一步优化铁电材料的电学性能。

其次，铁电畴的结构也对铁电材料的应用产生影响。

Ni-Al-V合金有序畴界面结构的微观相场模拟李永胜;陈铮;卢艳丽;王永欣;褚忠【期刊名称】《稀有金属材料与工程》【年(卷),期】2006(35)2【摘要】利用微观相场动力学模型模拟了Ni-Al-V合金沉淀有序相之间界面的微结构及其演化过程。

研究结果表明,L12相之间形成3种类型的畴界结构,界面宽度较小,其中一种界面处Al原子占位几率基本达平衡值。

D022相根据投影后[10]和[01]两个不同取向的结合,形成8种类型的畴界结构,相同取向的畴界较宽,不同取向的畴界处V原子占位几率较高。

两种不同有序相形成4种类型畴界,由于后析出相在先析出相的界面形核长大,界面处相应原子占位几率达平衡值,两相界面处连续过渡。

D022有序相[01]方向形成的界面随沉淀过程进行,由无序变为有序窄界面,之后界面处又发生分解成为无序相。

【总页数】5页(P200-204)【关键词】Ni-Al-V合金;界面;微结构;微观相场;模拟【作者】李永胜;陈铮;卢艳丽;王永欣;褚忠【作者单位】西北工业大学【正文语种】中文【中图分类】TG146.15【相关文献】1.微观相场模拟B2­FeAl金属间化合物有序畴界的形成和迁移 [J], 伍林;陈铮;庄厚川;黄勇兵;杨涛2.时效温度对Ni-Al-V合金筏化影响的微观相场模拟 [J], 杨坤;陈铮;张明义;王永欣3.Ti-45%Al合金界面形态及微观结构演化的相场模拟 [J], 李新中;苏彦庆;郭景杰;吴士平;傅恒志4.Ni-Al-V合金DO_(22)相间有序畴界面的微观相场模拟 [J], 张明义;王永欣;陈铮;董卫平;来庆波;张利鹏5.Ni-Al-V合金L1_2相间有序畴界面的微观相场模拟 [J], 张明义;王永欣;陈铮;张静;赵彦;甄辉辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

题目：电场作用下铁电材料特性分析学生姓名：学号：专业：无机非金属材料工程班级：指导教师：摘要铁电材料作为一类具有力-电转化功能的智能材料，其宏观的力电转化效能、相变与力学行为与材料细微观的畴结构、畴界、极化取向等密切关联。

众所周知，铁电材料内部的电畴结构又极易被机械约束、温度、电场等外界因素所改变，进而直接影响铁电宏观器件的使用性能和工作周期，同时也使得铁电材料的力电耦合行为比一般材料更加复杂。

因此，开展多场耦合下铁电材料微观结构演变以及研究畴结构及畴翻转动力学性能的研究不仅是提高以铁电材料为基础的宏观器件性能不可或缺的途径，同时也是促进铁电材料在复杂的工作环境应用的有效手段。

本文使用相场的研究方法，通过研究铁电材料特性，分析铁电材料在发生相变的过程中，内部发生的变化，以及电畴特征的状态，并用有限元分析软件comsol 对研究的状态进行仿真分析，用于模拟铁电材料在电场环境下，相场发生的变化过程。

当处于没有电场的环境下，铁电材料内部电畴结构的演变过程为：新畴在不断通过扩张和吞噬周边畴，其结构在进行扩大，当新畴的结构达到稳定后，处于一种稳定的状态，结构不会再发生变化，并且整体结构处于一种规则的状态。

当铁电材料处于直流电场环境下，铁电材料受到电场的影响，内部的电畴开始发生变化，从稳定的状态开始活跃，并持续增大，在某些区域内，电畴活跃到一定界限时，极化畴将会发生90度或180度的反向偏转。

当再次达到稳定状态时，结构不会再发生变化。

本文在进行研究时，通过建立在不同环境下（电场环境和非电场环境）的相场模型，对铁电材料的自身特性进行理论分析，配合有限元分析软件comsol对研究过程进行模拟仿真，对理论分析进行了充分验证。

为铁电材料的深入研究以及实际应用过程中提供了一定的指导依据。

关键词：铁电材料、相场变化、自身特性、comsol。

AbstractFerroelectric materials are a kind of smart materials with the function of force electricity conversion. Their macro force electricity conversion efficiency, phase transition and mechanical behavior are closely related to the micro domain structure, domain boundary and polarization orientation. As we all know, the domain structure of ferroelectric materials is easily changed by mechanical constraints, temperature, electric field and other external factors, which directly affects the performance and work cycle of ferroelectric devices. At the same time, it also makes the ferroelectric coupling behavior more complex than ordinary materials. Therefore, the research on microstructure evolution of ferroelectric materials under multi field coupling and domain structure and domain turnover dynamics is not only an indispensable way to improve the performance of ferroelectric materials based macro devices, but also an effective means to promote the application of ferroelectric materials in complex working environment.In this paper, the research method of phase field is used to study the characteristics of ferroelectric materials, analyze the internal changes of ferroelectric materials in the process of phase transformation, and the state of electrical domain characteristics. The finite element analysis software COMSOL is used to simulate the change process of phase field of ferroelectric materials in the electric field environment.When there is no electric field, the evolution process of domain structure in ferroelectric materials is as follows: the new domain is expanding and swallowing the surrounding domain, and its structure is expanding. When the structure of the new domain is stable, it is in a stable state, the structure will not change, and the overall structure is in a regular state.When ferroelectric materials are in the environment of DC electric field, the internal domains of ferroelectric materials begin to change under the influence of theelectric field, and become active from a stable state, and continue to increase. In some regions, when the domain is active to a certain limit, the polarization domain will have a reverse deflection of 90 or 180 degrees. When it reaches the stable state again, the structure will not change again.In this paper, through the establishment of phase field models in different environments (electric field environment and non electric field environment), the theoretical analysis of ferroelectric materials' own characteristics is carried out, and the research process is simulated with the finite element analysis software COMSOL, which fully verifies the theoretical analysis. It provides some guidance for further research and practical application of ferroelectric materials.KEY WORDS: Ferroelectric materials, phase field changes, self characteristics, COMSOL目录摘要 (2)Abstract (3)目录 (5)第一章绪论 (7)1.1 铁电材料概述 (7)1.2 铁电材料的发展与应用 (8)1.3 铁电材料相场概述 (9)1.4 本文研究的主要内容 (10)第二章力电耦合下铁电材料畴演变的相场模型 (11)2.1 铁电材料的相场概述 (11)2.2 铁电材料的相场模型建立 (11)2.2.1 各物理场的本构方程 (12)2.2.2 相场方程及数值求解方法 (13)2.2.3 有限元计算方法 (13)2.3 铁电材料畴演变的相场模型 (14)2.4 相场模型分析验证 (15)2.4.1 仿真软件介绍 (15)2.4.2 位移场和极化场的仿真验证 (16)2.5 本章小结 (20)第三章电场作用下铁电材料畴演变的相场模拟 (21)3.1 概述 (21)3.2 不同状态下的铁电畴结构演变模拟 (21)3.2.1 不同应力方向下的铁电畴结构演变 (21)3.2.2 不同电场下的铁电畴结构演变 (28)3.3 本章小结 (30)第四章总结和展望 (30)4.1 全文总结 (30)4.2 未来展望 (31)参考文献 (33)致谢........................................................................................ 错误!未定义书签。

面向压电纳米发电机输出提高的铁电畴相场模拟研究面向压电纳米发电机输出提高的铁电畴相场模拟研究随着能源需求的不断增长，人们越来越关注新型的可再生能源技术，其中压电纳米发电机作为一种新兴的能量捕获技术备受研究者的关注。

在这一领域中，如何提高压电纳米发电机的输出效率一直是一个重要课题。

为了解决这一问题，本文将通过铁电畴相场模拟研究来探索提高压电纳米发电机输出的方法和机理。

压电纳米发电机是一种利用压电效应将机械能转化为电能的器件。

其基本结构包括压电材料层、两个金属电极和纳米发电装置。

在外界施加压力时，压电材料会产生相应的形变，从而形成正负极性的电荷分布，通过金属电极传递电荷，最终驱动纳米发电装置产生电流。

然而，当前的压电纳米发电机技术仍存在着输出效率低、响应速度慢等问题，限制了其在实际应用中的发展。

为了提高压电纳米发电机的输出效率，我们首先需要了解铁电材料的畴结构对压电效应的影响。

畴是铁电材料中具有正负电性的微区域，其极性可以通过施加电场或外界压力等方式进行控制。

畴的排列方式和相互作用对于压电纳米发电机的输出效果具有重要影响。

因此，在本研究中我们采用铁电畴相场模拟方法，通过模拟不同条件下畴的形成和演化过程，探究畴对压电效应的贡献，并找到优化畴结构以提高压电纳米发电机输出的策略。

在实验过程中，我们首先选择适当的铁电材料和纳米发电装置，并对其进行准备和表征。

然后，我们使用相场模拟方法建立铁电畴相场模型，模拟畴的形成和演化过程。

在模拟中，我们考虑了外界压力、电场、温度等因素对畴的影响，根据材料的物理性质和实验条件进行参数设置，并运用合适的数值计算方法进行模拟求解。

通过模拟计算，我们得到了不同条件下铁电畴的形成和演化过程，并进一步研究了畴的大小、形状、排列等因素对压电效应的影响。

我们发现，在一定范围内，畴的排列较为致密、大小适中时，压电效应最大，纳米发电机的输出最高。

此外，我们还发现适度的外界压力和电场对畴的形成和演化具有重要作用，能够改变畴的结构和排列方式，进而影响压电效果和纳米发电机的输出性能。

非均匀力场诱导下铁电畴变及相变的相场数值研究非均匀力场诱导下铁电畴变及相变的相场数值研究摘要：非均匀力场下的铁电畴变及相变在材料科学领域中具有重要意义。

本文通过数值模拟的方法，研究了非均匀力场对铁电畴变及相变的影响，揭示了其中的机制和规律。

研究结果表明，非均匀力场可以显著影响铁电畴结构的形态和演化，导致相变行为的出现。

引言：铁电材料是一类具有较高应用潜力的功能材料，其在电子设备、传感器和存储器等领域中有着广泛的应用。

铁电材料的特殊之处在于其具有铁电畴结构，即在无外力作用下呈现的畴结构，畴内的极性取向不同于周围的畴。

过去的研究表明，外界力场的作用可以改变铁电畴的取向和大小，从而引起铁电材料的相变。

方法：本研究采用了相场模型，并结合有限差分数值模拟方法，对非均匀力场下的铁电畴变及相变进行了数值研究。

首先，建立了二维相场方程，描述了铁电材料的畴结构演化过程。

该方程考虑了电场、力场和各向异性等因素的综合作用，并引入了位势能函数和自由能概念，描述了畴结构的稳定性和演化行为。

接着，引入非均匀力场。

非均匀力场在空间上存在着变化，可以模拟实际材料中的不均匀应变或电荷分布等情况。

例如，在铁电材料中，应变或电荷分布不均匀的部分会形成畴壁，对畴的演化起到重要作用。

因此，本文在模拟中引入了非均匀力场，用于探究其对铁电畴变及相变的影响。

结果与讨论：通过对相场模型的数值模拟，发现非均匀力场对铁电畴变及相变具有显著影响。

具体而言，非均匀力场可以引起畴结构的形态变化和畴壁的移动，这可能导致相变行为的出现。

首先，在外力驱动下，畴壁的移动会使得铁电畴的取向发生变化。

畴壁的移动速度与非均匀力场的梯度有关，畴壁在非均匀力场较大的区域移动更快。

这种畴壁的移动可以导致畴结构的重构和畴的分裂等行为。

其次，相场模拟还显示，非均匀力场会改变畴结构的形态和分布。

非均匀力场在空间上的分布会导致畴结构的形态不均匀，例如形成畴片或畴线等形状，而不是规则的畴结构。

铁电材料的结构与性能分析铁电材料是一种具有特殊性质的材料，其极化方向可以被电场反向改变，即在施加电场的情况下，铁电材料可以变成两种电极化状态。

这种特殊的性质使铁电材料在信息存储、显示器、传感器等领域具有广泛的应用前景。

因此，铁电材料的研究受到了广泛关注。

本文将从结构与性能两个方面分析铁电材料。

一、铁电材料的结构铁电材料通常具有含有铁元素的晶体结构。

铁电材料的结构独特，由于其晶体结构不对称，从而使得材料具有铁电性。

铁电材料中，铁离子在结构中的偏移会导致电偶极矩的形成，从而使得材料具有极化的特性。

铁电材料一般具有三个晶向的极化方向，分别对应了材料x、y、z三个坐标轴方向上的铁电极化。

铁电材料中，晶格结构的对称性是决定其铁电性的关键。

在铁电材料中，通常采用的是ABO3型的晶体结构，其中A、B、O分别代表阳离子、阴离子和氧离子。

一般来说，B元素占据着晶体结构的中心位置，而A和O元素位于B元素的四周。

在这种结构中，B元素通过氧原子与周围的A和O元素相连，形成了一种类似八面体的晶体结构，称为钛酸盐结构。

钛酸盐结构中，晶体结构的对称性并不完全，因此具有铁电性。

二、铁电材料的性能铁电材料具有许多独特的性质，包括极化、介电性、压电性、热电性、磁性等。

这些性质使得铁电材料在信息存储、传感器、电容等领域有广泛的应用。

1. 极化性铁电材料的极化性是其最为突出的特点。

铁电材料在施加电场的情况下，具有电极化的能力。

此外，铁电材料的电极化方向也可以被反向改变。

因此，铁电材料可以用来制造电容器、传感器等器件。

2. 介电性铁电材料的介电常数比一般的材料大得多。

这使得铁电材料在制造磁性介质、电容器、滤波器等领域有广泛的应用。

3. 压电性铁电材料在施加Mechanical Stress的情况下可以发生极化，而且极化程度随着压力的增加而增加。

这种性质使得铁电材料在制造传感器、压力开关、振动加速度计等领域有广泛的应用。

4. 热电性铁电材料具有较大的热电效应，因此可以用于制造温度传感器、温度控制器等。