2012CB619400-G铁性智能材料的高性能化研究.Doc
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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
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- 2012 CB619400 智能 材料 性能 研究