1、项目名称：铁性智能材料的高性能化研究首席科学家：任晓兵 西安交通大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容前述部分论述的国家重大需求与遭遇到的瓶颈问题，凸显出三类智能材料性能的大幅度提高是当前亟待解决的关键问题。而对我们的前期工作成果进行梳理，可以认为解决这一问题根本的科学途径，就是将具有物理共性基础的三类材料进行对比性研究，基于物理的平行性，相互借鉴各自的新发现、新性质，寻求从原理性的高度实现突破，并据此在原子、畴结构等多个尺度下进行材料设计，以寻求同步实现三类智能材料的驱动输出最大化和能量耗散最小化，进而研制新型智能材料，为其实用化提供理论与技术支撑
2、。从表面上看各不相同的三类智能材料如果从基于序参量（order parameter）的唯像角度来看则存在着如下物理及材料科学共性：（1）它们都具有响应外界物理作用的被称为“序参量”的某种“矩”（moment）（磁矩、电偶极矩或弹性偶极矩（strain dipole）；（2）这些矩都以“畴”的方式存在和被约束（在畴内一致排列，而畴间排列不同），以获得基态下能量的最小状态；（3）在外界各种物理能量的作用下，系统新的能量平衡的重新实现都是通过矩转动和畴壁移动的共同方式；（4）矩和畴结构的改变都有效地耦合了晶格的畸变，并在宏观上显示为应变输出。这些共性意味着三类材料很可能存在共同的物理基础或材料科学基
3、础。这里需要进一步解决如下与提高三类智能材料性能相关的关键科学问题。2.1 拟解决的关键科学问题及其内涵关键科学问题： 基于序参量与广义缺陷耦合作用的智能材料共性材料科学基础及其高性能化内涵：（1）如何根据Landau理论，合理地考虑序参量与控制材料行为的广义缺陷（掺杂，溶质原子等）的耦合作用，进而建立能够正确理解和预测三类智能材料的相稳定性、畴结构特征、宏观性能的统一理论框架。（2）如何利用这一理论框架寻找提高性能的有效机制进而实现三类智能材料的高性能化。2.2 相关科学问题和主要研究内容上述关键科学问题将进一步细化为如下具体的相关科学问题和主要研究内容：相关科学问题1： 三类材料的统一物理
4、模型以及在原子、畴结构等多尺度下设计高性能材料的准则图2.1 三类智能材料的统一物理框架。基于前期在形状记忆合金和压电材料方面的理论研究基础以及模型的类似性（王云志课题组，PRL 2010），建立基于序参量和广义缺陷（掺杂，溶质原子等）耦合的统一物理模型（图2.1）。基于该模型研究材料在原子序参量、畴等多个尺度的演化规律以及对宏观性能的决定作用，进而提供在原子、畴结构等多个尺度下进行材料设计的准则，为同步实现三类智能材料的驱动输出最大化和能量耗散最小化（即窄滞后）奠定理论和技术基础。研究内容：（1）阐明三类智能材料统一的物理基础和建立统一的理论模型。运用多尺度模拟方法来预测广义缺陷（掺杂，溶质
5、原子等）对于铁性材料微结构、相变和外场响应性能的影响。利用这一系列模拟结果，建立调控铁性材料场致应变性能的统一模型，为开发新型智能材料、同步实现驱动输出最大化和能量耗散最小化（即窄滞后）提供理论依据。（2）基于广义缺陷的整体效应（global effect）建立智能材料准同型相界（MPB）的理论模型。通过第一性原理计算和原子尺度模拟，研究位于准同型相界附近的材料的稳定结构和极化特性，研究各相之间的相互转换机制和外界宏观条件（化学成分和外场）对各单相性能的影响；使用相场模拟方法研究准同型相界附近的微结构和相失稳过程，理解MPB及相对应的三临界点的高性能以及耗散（滞后）特性，进而提出基于MPB原理
6、设计高性能材料的准则。与此同时，为了检验理论的正确性，从实验上对三类智能材料的MPB的微结构和宏观性能进行研究，与理论及其模拟结果进行对比，改进修正理论模型。（3）基于广义缺陷的局域效应（local effect）建立铁性玻璃的理论。通过第一性原理计算和原子尺度模拟，研究点缺陷的能量分布（短程有序度）以及带来的原子尺度上的材料性能（点阵应变，极化和磁矩等）的变化，并定量地计算该尺度上材料性能对外场（热，力，电，磁等）的响应和相应的场致应变（局部效应）（详见王云志、李巨综述：“Overview No. 150： Phase Field Modeling of Defects and Deform
7、ation,” Acta Mater. 58 (2010) 1212-1235.）。基于此局部效应，建立系统自由能和序参量（应变，极化，磁矩等）的定量关系，并利用相场模拟研究材料相变和微结构演化。上述多尺度模拟方法可用来研究点缺陷诱发的玻璃态转变，建立铁性玻璃提供特异性能的设计准则。同时，从实验上对三类智能材料的玻璃态（应变玻璃、弛豫铁电体、团簇-自旋玻璃（cluster spin glass）的微结构和相应宏观性能进行研究，与理论及模拟结果进行对比，改进修正理论模型。相关科学问题2：三临界MPB和铁性玻璃态对三类智能材料性能的影响缺陷与序参量的耦合，造成了以点（三临界点tricritical
8、 point） 线（准同型相界MPB）和区（ferroic glass）三种不同形式表现的相临界状态。从应用基础的角度研究这些相失稳的状态，实现材料能量输出最大化（灵敏度最大）和耗散最小化(窄滞后)的目标，将反映出统一物理基础思想及其相关物理模型和理论的实用性。据此探索能够提供高性能或特异性能的、普适于三类材料的物理机制，并运用该机制获得具有高性能和新性能的智能材料，以满足国家重大需求。研究内容：（1）三临界MPB对三类智能材料性能的影响基于在三临界点导致的相失稳（立锥）状态和MPB导致的相失稳（骑墙）状态可以获得能量输出最大化和耗散最小化的高性能的原理，在磁致伸缩材料、无铅压电材料（体材料和
9、薄膜）、形状记忆（含磁驱相变材料）等三类材料中，将成分改变、多元掺杂、结构缺陷（位错和孪晶）、晶格失配、原子错位和空位、共格析出、晶界和相界等均作为广义缺陷的实用元素，寻找和设计具有三临界点和MPB特征的材料体系。确定材料的MPB的成分/结构/物性关系，通过调控相稳定性将材料调控到失稳态的三临界点和MPB上，在矩、畴和相等不同层次描绘临界点与临界线的相图。采用各种实验技术手段，对各种物理作用下的晶体结构、应变畴、电畴及磁畴的结构进行原位表征，研究两种失稳状态下应变畴、磁畴和电畴的相互关联性，阐明多尺度微结构单元（晶体取向、畴取向、微应力、点缺陷）变化与宏观应力、应变输出性能的相互关联性，揭示不
10、同体系中微结构单元演化的共同规律，建立各自材料中缺陷与序参量耦合模型及材料设计新理论。基于临界状态导致性能极值和性能特异的基本原理，面向国家重大需求，设计和获得若干高性能智能材料，包括窄滞后大磁致伸缩材料、高性能无铅压电材料、窄滞后形状记忆、高能量密度磁驱相变材料等。（2）铁性玻璃态（Ferroic glass）对三类智能材料性能的影响从实验上研究铁性玻璃形成及其场致相变的统一机制。针对三类材料中的典型玻璃态（团簇-自旋玻璃、弛豫铁电体和应变玻璃）和各种玻璃态间的耦合，利用各种观察测量手段对其晶体结构、纳米畴结构进行原位表征，结合宏观的磁性、压电、力学、热力学性能表征建立铁性玻璃的短程有序微结
11、构与宏观性能的相互关系，揭示铁性玻璃特异性能的共同规律，为设计具有特异性能的智能材料打下基础。基于缺陷导致应变玻璃的原理，在铁弹体系中设计若干典型应变玻璃材料；在磁致伸缩材料、压电材料和磁驱相变材料中，采用玻璃态改变基体晶格弹性的思路，增强晶格与磁矩和电矩的耦合弹性，设计新型压电和磁致伸缩材料。基于应变玻璃的形状记忆材料的功能特性与缺陷、微观组织、相变特征之间的关系及统一模型。研制出具有超窄滞后、超线弹性、宽温域高恢复应力的高性能应变玻璃材料，满足国家在新一代战斗机方面和其它方面的核心技术的重大需求。二、预期目标3.1 总体目标（1）基础研究创新方面：建立智能材料的共同物理基础及理论，推动铁性
12、材料学这一新兴学科的形成和发展，提供能够有效提高智能材料性能的物理机制。（2）满足国家重大需求方面：在理论指导下设计和研制出一批高性能形状记忆材料和超弹性材料、环境友好的高性能压电材料、巨磁致伸缩材料、应变玻璃等智能材料，满足国家重大需求，同时为国家提供若干具有自主知识产权的相关核心技术。（3）人才培养和基地建设方面：通过本项目的实施，培养一批具有国际影响力的中青年优秀人才、建成具有原创能力的，以高性能智能材料基础理论研究和实际开发利用相结合的创新群体和创新基地，使得我国在这一重要研究领域居于国际一流水平。3.2 五年预期目标科研成果方面（1）建立智能材料缺陷/掺杂-畴结构-性能的多尺度统一模
13、型，揭示使用点缺陷，准同型相界等各类条件提高铁性材料的场致应变性能敏感度，滞后性，服役温度区间等的物理机制，为大驱动低损耗（窄滞后）的智能材料的开发与应用提供坚实的理论基础。（2）澄清三临界点和MPB对畴结构和性能影响的物理机制，利用三临界点和MPB处性能出现极值的特点提出设计高性能智能材料的准则，指导三类智能材料的研发。探明铁性玻璃形成的共同物理基础及其场致相变的统一物理机制，揭示铁性玻璃窄滞后的物理起源，以期通过新原理的突破来开发精确驱动的新型智能材料。（3）研制出具有超窄滞后（5%）、宽温域高恢复力（50150，650MPa）的典型高性能TiNi系形状记忆材料。（4）发展高性能窄滞后（即
14、大驱动低损耗）磁致伸缩材料设计和生长取向可控材料制备的新原理和新方法，研制出具有原始创新的高性能窄滞后磁致伸缩材料（磁致伸缩滞后小于5%），阐明大载荷和高低温超常环境下新型磁致伸缩材料的服役行为；争取在航空航天国家重大项目中高精度位移控制上获得应用。（5）阐明磁、力、热场耦合作用下典型磁驱动相变材料的应力、应变输出特性与晶体结构、畴结构演化之间的定量关系，研究应变玻璃与自旋玻璃的多玻璃态耦合作用，在磁性形状记忆合金中寻找MPB区域并表征其物理性质，在应变玻璃物理状态中开发新的应变材料，建立基于MPB和应变玻璃结构失稳的巨磁应变材料的设计理论，开发出24种与目前材料相比综合性能优越的单晶及多晶磁
15、驱相变合金材料。（6）掌握缺陷对无铅压电材料的相稳定性及MPB的产生、铁电畴结构及其压电性能的影响规律，进而获得高的场致应变性能。设计若干高性能无铅压电材料，研制出无铅压电陶瓷器件原型。论文及专利成果、人才培养和基地建设方面（1）在有影响的国际期刊上发表高质量的学术论文300篇以上，其中包括若干在Nature系列期刊、Science、PRL，Adv. Mater.等高影响力期刊发表的重要研究论文。形成20 项以上专有技术和发明专利。培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神的智能材料研究团队，包括中青年学术带头人10名以上，在国际上有大的影响的知名学者3-4名。培养博士40名以上，硕士50名以上
16、。（2）在国内初步建立高性能智能材料基础研究和研发基地，主要依托于西安交大金属材料强度国家重点实验室、西安交大前沿科学技术研究院、南京微结构国家实验室（筹）、中科院物理所磁学国家重点实验室、沈阳材料科学国家实验室、北京理工大XX材料国防科技重点实验室、哈工大空间材料及环境XX国防科技重点实验室、哈工大金属精密XX国防科技重点实验室等。三、研究方案4.1 学术思路我们前期的工作基础显示：形状记忆、压电和磁致伸缩三类智能材料在从序参量、相稳定性、畴结构特征、宏观性能方面具有高度平行性，这暗示三类材料可能具有共同的物理基础。本项目基于这一重要暗示，采取如下学术思路来指导整个项目的研究：基于缺陷与序参
17、量耦合作用，通过调控畴结构，降低相变的能垒以促进相失稳，采用热力学手段弥补单纯动力学的不足，达到提高材料的宏观性能的目标。（该学术思想的细节及技术途径见图4.1）。4.2 技术途径(图4.1)1）基于考虑广义缺陷的Landau理论模型（相场动力学模型），建立统一的序参量与广义缺陷的交互作用理论模型，为共同物理基础的形成打下基础。2）基于上述的共同物理模型，得出提高三类智能材料性能或提供特异性能的共同物理机制。包括：基于缺陷整体（global）效应的三临界点（tricritical point）和准同型相界（MPB），以及基于缺陷局域（local）效应的铁性玻璃（ferroic glass）。在
18、原子、畴等多个尺度设计智能材料，实现驱动最大化（高感度）和损耗（滞后）最小化。3）基于上述提高性能的共同物理机制，设计和研发若干具有高性能或特异性能的核心材料，满足国家在智能材料方面的重大需求。包括：窄滞后形状记忆材料，高性能无铅压电材料，高性能窄滞后磁致伸缩材料、宽温区低模量线弹性合金等。4.3创新性与研究特色1）本项目的最大特色及创新性在于注意到三类看似不同的智能材料（形状记忆、压电和磁致伸缩）的高度物理平行性而采取的学科交叉、探寻共同物理基础的研究思路，这将使我国智能材料学科的发展水平步入国际前沿。2）利用智能材料的共同物理原理可以容易地突破以往由于思路单一而遭遇到的性能瓶颈，极大地缩短
19、了设计和研发高性能和全新的智能材料的研发周期。这对高效研发高性能智能材料、满足国家重大需求具有重大意义。近年来我们利用这一重要思路，在几类智能材料中作出了国际领先的研究成果，证明了这一思路的有效性。图4.1 学术思路及技术路线图。4.4重大突破的可行性分析本项目前期成果强烈暗示：三类智能材料（形状记忆、压电和磁致伸缩）可能具有共同的物理基础。这为本项目产生重大突破奠定了核心基础。在本项目中，基于MPB结构失稳和铁性玻璃这一共同物理基础的先进智能材料设计理念，可以大幅度地提高三类智能材料的性能，为突破以往的性能瓶颈提供核心方法。另外，项目组前期工作的国际领先水平、学术带头人的种种优势、学科交叉的
20、优势以及密切的国际合作使本项目综合实力容易体现。因此可以确保取得重大突破。此外，本项目在组织方式上联合了国内的优势力量，主要承担单位均为国内智能材料研究领域的主力军。项目主要依托西安交通大学金属材料强度国家重点实验室、西安交通大学前沿科学技术研究院、南京微结构国家实验室（筹）、中科院物理所磁学国家重点实验室、沈阳材料科学国家实验室、北京理工大学XX材料国防科技重点实验室、哈工大空间材料及环境XX国防科技重点实验室、哈工大金属精密XX国防科技重点实验室等研究基地，充分发挥相关学科的理论基础和技术储备优势。这些也为产生重大突破提供了组织和设备方面的保证。4.5 课题设置围绕项目所要解决的关键科学问
21、题及其相关科学问题、本项目共设置六个相互支撑、有机联系的课题，其关系如下表所示。相关科学问题课题设置问题1： 三类材料的统一物理模型以及在原子、畴结构等多尺度下设计高性能材料的准则课题2：智能材料的统一理论和多尺度模拟研究课题1：基于共同物理基础的智能材料实验基础研究问题2：三临界MPB和铁性玻璃态对三类智能材料性能的影响课题3：高性能形状记忆材料研究课题4：高性能窄滞后磁致伸缩材料研究课题5：基于新原理的磁驱动相变材料研究课题6：高性能无铅压电材料及其应用研究为解决第一个相关科学问题，设立课题1和课题2。前者偏重共同物理基础的实验基础研究，并为后者提供直接实验数据和参照。而后者侧重于利用理论
22、和计算机模拟手段研究三类智能材料的共同物理基础，并与实验结果相对比。两个课题共同为其它课题研究提供实验和理论基础。第二个相关科学问题由课题1，3，4，5和6承担。其中，课题1侧重三类材料的物理机制的共性研究，课题3，4，5，6侧重于共同物理机制在几类不同材料中的应用以及借此研究和开发各类高性能智能材料。所设立的六个课题，互相之间有机关联，相互支撑，形成了一个整体，很好地体现了本项目的学术思路和技术途径。每个课题的具体研究内容、目标、承担单位和主要人员及经费比例如下所示。课题1 ： 基于共同物理基础的智能材料实验基础研究 研究目标： 从实验上探索广义缺陷对形状记忆、压电和磁致伸缩三类智能材料在整
23、体（global）和局域（local）两方面影响的物理平行性。和理论相结合，确立智能材料的共同物理基础，同时提供可大幅度提高三类智能材料性能的物理机制。主要研究三类材料中的准同型相界（MPB）效应和机制，铁性玻璃化转变现象及其对驱动以及损耗（滞后）的影响。 研究内容： 1）基于 MPB这一指导思想，通过微观、界观、宏观的实验研究手段，在形状记忆、压电和磁致伸缩三类材料中研究广义缺陷对MPB生成的影响，以及MPB对相稳定性、畴结构、宏观性能的影响，探索结构相变和MPB的异同点，建立微观畴结构与宏观性能的关系，揭示性能极值的物理机制，提供高驱动低损耗的有效方法。实验包括力学、电学、磁学、热学、微结
24、构等各类实验。2）通过对三类智能材料体系中的玻璃现象进行对比实验研究，找出三种玻璃现象的宏观冻结特性及其微观畴结构的共同特点，建立统一的铁性玻璃微观物理图像。与此同时，通过对比研究，找到三类玻璃现象在不同强度外场下的宏观性能响应和微观畴结构演化的共同之处，建立统一的铁性玻璃外场响应及场致相变的微观机制。并以这些统一的铁性玻璃理论为指导，找到获得全新智能效应的新途径。重点是研究应变玻璃及其特异性能。 3）与理论课题（课题2）合作，发展普适形状记忆、压电和磁致伸缩三类智能材料、并能指导研发高性能材料的理论，共同推进智能材料共同物理基础的形成，并在共性物理机制的基础上，加强铁弹、铁电和铁磁关联性新效
25、应的探索。 经费比例： 25% 承担单位： 西安交通大学 课题负责人： 任晓兵 学术骨干： 杨森、张立学、刘文凤、周玉美课题2 ： 智能材料的统一理论和多尺度模拟研究 研究目标： 通过多尺度理论和模拟，揭示各类缺陷和化学成分对智能铁性材料的场致应变性能的影响。基于上述研究，建立统一的智能材料场致应变的理论模型，进而确立高性能智能材料的设计准则，指导设计高驱动低损耗（窄滞后）的智能材料。 研究内容： 1）第一性原理计算。对于智能材料的典型结构（如玻璃态，准同型相界附近的结构），通过第一性原理计算系统地分析缺陷及外场等内外部因素对其短程有序度（电子/原子的结构和性质）的影响；并研究上述各类结构的物
26、理性能及对外场的响应机制；同时计算这些结构间转换的能垒和速率，为理解智能材料滞后特性（能耗）提供理论基础。 2）大尺度的原子模拟。一是基于不同原子结构的能量和性能的数据，用Cluster expansion等统计力学方法构造铁性材料更大规模的原子模型，并应用蒙特卡罗方法模拟该材料在不同温度下的平均结构和性能。二是通过分子动力学研究相变机制。 3）相场动力学模拟。根据上述原子/电子尺度研究，通过相场动力学方法：a)将点缺陷（及位错、析出物等其它缺陷）引起的局部效应引入系统自由能模型，探求缺陷-温度-外场的应变玻璃转变的一般性机制。b)定量描述准同型相界处铁电材料的微观结构及其对材料性能（驱动和损
27、耗等）的影响，揭示准同型相界引起的高场致应变性能的物理源头，同时将铁电体系中建立的相场动力学模型应用到铁磁及铁弹体系中，建立统一的准同型相界的一般模型。最后利用该模型建立设计高性能智能材料的准则，指导设计高驱动低损耗（窄滞后）的智能材料。 经费比例： 11.67% 承担单位： 西安交通大学 课题负责人： 李巨 学术骨干： 王云志、齐亮、王宇、王栋课题3 ： 高性能形状记忆材料研究 研究目标： 建立缺陷序参量耦合模型，提出缺陷型晶体的相变基本理论和高性能形状记忆材料设计新理论与新方法；采用准同型相界（马氏体与应变玻璃）和应变玻璃的成分设计理论和方法，研制出具有超窄滞后（5%）、宽温域高恢复力（5
28、0150，650MPa）的高性能TiNi系形状记忆材料。 研究内容： 1）与课题1，2合作，研究缺陷（溶质原子、空位、位错、晶界和相界等）导致晶格畸变的特征及机制，揭示在外场（热、力场等）作用下晶格畸变与序参量（相变应变）的交互作用规律和机制，阐明缺陷的类型、尺度和分布与相变特征之间的关联性，建立缺陷与序参量耦合模型及缺陷型晶体相变新理论； 2）阐明形状记忆材料的功能特性（相变滞后、形状记忆效应、超弹性等）与缺陷（类型、尺度及分布）、马氏体畴结构尺度及分布、相界面结构之间的关联性；揭示微结构调控与促进相结构失稳机制，建立高性能形状记忆合金微结构精细调控理论模型。 3）基于缺陷型相变理论和微结构
29、精细调控理论，提出高性能形状记忆材料的缺陷构建（类型、尺度和分布）原理与方法。阐明形状记忆材料功能特性与缺陷、微观组织、相变特征之间的关联性，建立高性能形状记忆材料的设计理论与方法。 4）基于缺陷型相变理论，采用准同型相界（马氏体与应变玻璃）和应变玻璃的成分设计理论和方法，研制出具有超窄滞后（5%）、宽温域高恢复应力（50150，650MPa）的典型高性能TiNi系形状记忆材料。 经费比例： 22.67% 承担单位： 北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国石油大学（北京）、上海交通大学 课题负责人： 徐惠彬 学术骨干： 赵新青、蔡伟、崔立山、戎咏华、李岩、范根莲课题4 ： 高性能窄滞后磁致伸缩
30、材料研究 研究目标： 基于MPB原理和点缺陷与序参量的交互作用的磁致伸缩材料磁结构调控和相结构失稳的材料设计思想，通过揭示磁致伸缩材料磁结构演变和相结构失稳的物理机制，发展高性能窄滞后（及大输出低损耗）磁致伸缩材料设计新原理和新方法，制备出原创性高性能窄滞后磁致伸缩新材料，并对其服役特性进行研究。 研究内容： 1）基于MPB原理的高性能窄滞后磁致伸缩材料合金体系研究。研究具有准同型相界特征的磁致伸缩材料组元构成基本要素，揭示稀土化合物和过渡金属化合物中组元含量变化导致的相结构失稳和磁结构演变规律，阐明准同型相界处（MPB）材料窄滞后的物理机制，探寻具有准同型相界（MPB）特征的磁致伸缩材料合金
31、体系，基于准同型相界（MPB）设计原理，同步实现磁致伸缩材料的窄滞后和高灵敏度。 2）基于点缺陷控制的高性能窄滞后磁致伸缩材料合金化设计研究。采用具有窄滞后特征的3d元素为基体，掺杂具有高磁致伸缩潜质的强磁晶各向异性4f元素，研究点缺陷与序参量的交互作用，阐明包括晶体对称性和易轴方向的磁结构演变机制，实现磁结构调控，设计出高性能窄滞后磁致伸缩新材料。 3）高性能窄滞后磁致伸缩材料生长取向可控的材料制备新方法研究。研究非平衡小平面生长的新型磁致伸缩材料的晶体生长过程和取向控制；外磁场和应力复合作用下诱导感生磁各向异性，研究高性能材料制备新方法。 4）高性能窄滞后磁致伸缩新材料的服役特性和功能实现
32、的原理和方法研究。材料在服役环境下（大载荷范围、宽温域）的磁致伸缩性能和滞后特性的变化规律和内在物理机制。基于高性能窄滞后磁致伸缩新材料的高精度磁致伸缩器件的设计、研制和应用特性研究。 经费比例： 10.67% 承担单位： 北京航空航天大学、中国科学院金属研究所 课题负责人： 蒋成保 学术骨干： 尚家香、任卫军、王敬民课题5 ： 基于新原理的磁驱动相变材料研究 研究目标： 在磁性MPB和马氏体MPB相互耦合，自旋玻璃和应变玻璃相互耦合的新物理环境中，通过探索多场作用下由于热力学失稳所带来的晶体结构、应变畴及磁畴的演化规律，认识晶格和各种微结构单元与材料宏观性能的相互关联性，实现材料的优化设计和
33、性能提高。 研究内容： 1）重视和利用磁驱动相变材料中，缺陷能够同时干预结构相变与磁相变的成分特点，兼有两个相变（磁性和马氏体相变）和兼有两个玻璃态（自旋玻璃和应变玻璃）的结构特点，以及兼有应力序参量和磁序参量的物理特性，基于相失稳更有利于磁能晶格弹性能转变和借助提高热力学驱动力来克服动力学阻力的新思路开展研究。首先确定材料的MPB和应变玻璃的成分/结构/物性关系，实现将铁磁反铁磁顺磁磁冻结自旋重取向等磁相变在MPB和两种玻璃态两种结构失稳状态中的巧妙编织，为以下研究内容提供样品。 2) 利用同步辐射X射线衍射、中子散射、高分辨透射电镜、磁力显微镜等多尺度观察手段对MPB和玻璃态在物理作用下的
34、晶体结构、应变畴及磁畴的结构进行原位表征，研究两种状态下应变畴和磁畴的相互关联性，阐明多尺度微结构单元（晶体取向、磁畴取向、微应力、点缺陷）变化与宏观应力、应变输出性能的相互关联性；揭示不同体系中微结构单元演化的共同规律。 3）在上述多相变耦合和多玻璃耦合的新层面上，围绕MPB和应变玻璃两种结构失稳状态，研究磁场驱动马氏体相变的行为和物理机理，据此针对本材料在应变，磁电阻，磁熵等不同智能输出的应用特点，寻找更加高效的新材料和提升原有材料的性能。 经费比例： 18.32% 承担单位： 北京理工大学、中国科学院物理研究所、东北大学 课题负责人： 王沿东 学术骨干： 高建荣、王文洪、张宏伟、聂志华课
35、题6 ： 高性能无铅压电材料及其应用研究 研究目标： 通过构建成分MPB（体材料）和应变MPB（薄膜），设计和研发高性能无铅压电陶瓷及无铅压电薄膜。基于MPB原理获得具有大电致应变性能的无铅反铁电电致应变材料，同步实现大应变和低损耗。 研究内容： 1）确定二元及三元无铅压电固溶体体系（体材料）的相图及MPB区域；澄清MPB区域压电、铁电、介电特性和微结构，及其在外电场下的动态演化行为；研究组分调节对材料相结构稳定性、铁电畴结构及压电性能调控的物理机制。 2）研究晶格失配导致的应变对无铅压电外延薄膜相稳定性、铁电畴结构、铁电、介电及压电性能的影响规律；表征无铅压电外延薄膜超晶格的微结构、铁电、压
36、电、介电和畴结构；澄清界面人工MPB对压电超晶格压电性能的调控机理。 3）确定无铅反铁电固溶体体系的相图及MPB区域；研究MPB区域的微结构、畴结构、介电和电致应变特性以及畴结构在外电场下动态演化行为。 4）研究具有三临界点特征的无铅压电材料的温度稳定性，通过组分调节和硬掺杂方案将MPB转变温度调节至室温，并减小其电致应变滞后效应。开发出具有实用性的无铅压电材料。经费比例： 11.67% 承担单位： 南京大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、南京航空航天大学 课题负责人： 殷江 学术骨干： 王一平、王根水、曾江涛四、年度计划年度研究内容预期目标第一年(1) 对三类铁性智能材料进行各种实验研究，寻找
37、和设计具有三临界点和MPB特征的材料体系。 (2) 应用多尺度模拟工具，研究铁弹玻璃体的微观结构和玻璃转变。(3) 研究NiTi基记忆合金在外场作用下溶质原子和高密度相界等缺陷导致晶格畸变的特征及机制。(4) 具有MPB特征的磁致伸缩材料相结构及其稳定性研究。(5) 探索Heusler型磁驱动相变合金NiMnZ（Z为Al，Ga，In，Sn和Sb等主族元素）具有MPB与应变玻璃特征合金成分范围。(6) 合成无铅压电陶瓷及无铅反铁电陶瓷材料的固溶体体系，研究结构参数，获得结构演化规律。(1) 确定材料的MPB的成分/结构/物性关系。(2) 建立铁弹体系玻璃化转变的多尺度模型，并揭示其转变的物理机制
38、。(3) 揭示晶格畸变与序参量的交互作用规律和机制，阐明点缺陷和高密度晶界等之间的关系。(4) 阐明磁致伸缩材料MPB结构组元基本要素、相结构演变规律。(5) 确定NiMnZ合金系具有MPB特征、自旋玻璃和应变玻璃特征的磁驱动相变合金晶体结构、微结构与宏观性能关联性。(6) 建立无铅压电材料组分与其结构参数间的关联。发表论文40篇以上，培养研究生25名以上。第二年(1) 实验研究三种铁性玻璃材料的玻璃化特性、相变温度、外场响应等物理特征。(2) 应用多尺度模拟工具，研究各类铁性玻璃体由广义缺陷的整体和局域效应导致的玻璃转变及其对应的场致应变性能。(3) 实验研究点缺陷和高密度TiNi基形状记忆
39、合计和薄膜等材料中晶界导致TiNi晶格畸变的特征。(4) 研究外磁场下的MPB相结构和相稳定性、MPB结构的磁致伸缩性能和滞后特性的关系。(5) 探索磁驱动相变合金MMX体系（其中M和M为3d过渡金属，X为Si，Ge，Sn，P等主族元素）具有MPB与应变玻璃特征合金成分范围。(6) 研究MPB附近不同组分的钙钛矿结构无铅压电及反铁电陶瓷的结构相变及电学特性；制备无铅压电外延薄膜，研究其晶体结构及电学特性。(1) 建立铁性玻璃的短程有序微结构与宏观性能的相互关系。 (2)描述铁性玻璃-缺陷的之间的关系。建立各类铁性玻璃体的统一物理模型。(3) 揭示外场作用下晶格畸变对序参量的相互影响本质并阐明合
40、金马氏体相变特征与溶质原子、马氏体畴微结构之间的关联性。(4) 建立高性能窄滞后磁致伸缩新材料设计准则；研制出高性能窄滞后磁致伸缩新合金。(5) 确定MMX体系具有MPB特征、自旋玻璃和应变玻璃特征的磁驱动相变合金晶体结构、微结构与宏观性能关联性。(6) 建立无铅压电陶瓷组分、晶体结构、压电性能等之间的关联；建立应力状态与无铅压电外延薄膜的晶体结构、压电性能间的关联。发表论文65篇以上，申报发明专利3-5项，培养研究生26名以上。第三年(1) 实验研究点缺陷短程有序对称性在三类铁性智能材料统一物理规律和奇异多尺度效应。(2) 模拟各类铁性玻璃体的奇异性质，模拟研究铁电材料在准同型相界处的电子原
41、子性质。(3)研究缺陷促进相结构失稳特征及机制，以及应力和应变对应变玻璃态合金的马氏体相变行为以及应变回复特性。(4) 研究基于点缺陷控制的磁致伸缩材料晶格对称性、易磁化轴等磁结构演变和磁致伸缩性能与滞后特性。(5) NiMnZ与MMX体系合金体系具有MPB与应变玻璃特征合金成分优选细化及先进制备工艺探索(6) 研究无铅压电陶瓷和外延薄膜的相变、MPB区域无铅压电陶瓷的畴结构及其在外电场作用下的动态演化过程。(1) 建立铁性材料中点缺陷诱发的时效等效应的统一物理机制。(2)揭示铁电材料准同型相界的原子尺度的物理机制。(3) 确定点缺陷浓度对NiTi基应变玻璃态合金的形成规律以及合金相变特征的影
42、响规律和相关机理。(4) 提出高性能窄滞后磁致伸缩新材料点缺陷设计准则；制备出点缺陷控制的高性能窄滞后磁致伸缩新材料。(5) 获得具有MPB与应变玻璃磁驱相变合金的高质量单晶与取向多晶，并给出精细晶体结构与元素占位。(6) 掌握MPB区域无铅压电及反铁电陶瓷的电畴结构、应力导致无铅压电薄膜的电畴结构。发表论文70篇以上，申报发明专利3-5项，培养研究生 30名以上。第四年(1)实验研究位于准同型相界附近的材料的稳定结构和极化特性。(2)模拟研究各类铁性材料在准同型相界处的微观结构和由广义缺陷的整体效应引发的场致应变性能。(3) 研究形状记忆材料功能特性与缺陷、微观组织、相变特征和力学性能之间的
43、相关性。(4) 高性能窄滞后磁致伸缩新材料在外磁场作用和非平衡条件下的晶体生长过程和取向形成机制。(5) 磁、力和热三场耦合条件下有MPB与应变玻璃磁驱相变合金多尺度结构与微结构原位表征。(6) 研究无铅压电超晶格的晶体结构、界面结构及电学特性；研究适用于高可靠性微型压电作动器的无铅压电陶瓷材料的低温烧结工艺等。(1)阐述铁性智能材料广义缺陷整体效应的物理机制。(2) 建立各类铁性材料准同型相界的原子及相场模型。(3)制备小批量具有高弹性（1.2%）和在宽温域内（50150）高屈服强度的NiTi基合金板材（650 MPa）和b-Ti合金板材（1000 MPa）。(4) 发展磁致伸缩材料制备新方
44、法，并制备出高性能窄滞后磁致伸缩材料。(5) 揭示具有MPB与应变玻璃磁驱相变合金宏观性能（应力与应变输出及磁制冷效应）与晶体结构、应变畴及磁畴等微观结构交互作用规律。(6) 揭示应变增强无铅压电超晶格压电性能的物理基础，制备出满足国家重大工程需求的高可靠性无铅压电陶瓷作动器。发表论文70篇以上，申报发明专利5-7项，培养研究生30名以上。第五年(1)实验研究点缺陷的能量分布以及带来的原子尺度上的材料性能的变化。(2) 对三类铁性材料准同型相界处高性能的物理机制进行探索，寻找其统一的物理源头。(3)研制出具有超线弹性、低模量、窄滞后的高性能NiTi 基高性能材料和薄膜，并为其应用于我国重大工程
45、应用提技术基础。(4) 研究高性能窄滞后磁致伸缩新材料在大载荷、宽温域条件下的磁致伸缩性能以及新型驱动器设计与性能输出特性。(5) 研究在MPB和应变玻璃状态磁场驱动马氏体相变的行为、物理机理及新物理环境中的多场作用模型。(6) 研究无铅压电材料的组分及烧结工艺的优化方案、适合于压电陶瓷作动器的高加速寿命试验(HALT)和功能失效无损评价方法。(1)阐述铁性智能材料广义缺陷局域效应的物理机制。(2) 建立三类铁性材料准同型相界的同一物理模型。(3) 制备出相变滞后小于1K的TiNiCuX合金及其薄膜和高线弹性（5%）、低模量（30GPa）的高性能Nb增强TiNi高性能材料。(4) 发展高性能窄滞后磁致伸缩新材料的服役特性和功能实现的原理和方法。(5) 获得更加高效的新材料和提升现有磁驱相变材料性能的技术途径，开发出24种优越的磁驱相变合金材料。(6) 获得制备高性能无铅压电陶瓷的最佳方案，掌握无铅压电陶瓷作动器在多场耦合条件下的服役行为。发表论文70篇以上，申报发明专利8-12项，培养研究生 25名以上。
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