铁弹性

更新时间:2022-08-25 16:58

1969年,日本物理学家相津敬一郎首先用了铁弹性一词。他在研究Gd2(MoO4)3晶体位移相变时,发现应变S对应于外力σ的变化有滞后现象,应力与应变呈非线性关系,自发应变方向可因外力场而反向。表征铁弹性的力滞回线,类似于铁电体的电滞回线,具有铁弹性的晶体称为铁弹体。

晶体结构

铁弹体的自发应变是由晶体结构决定的。一般认为,自发形变起源于各等同部分原子对的互换位移(1/10┱数量级)。铁弹体的任何两个取向态 (畴态),在无应力作用时,其晶体结构呈镜面对称。相应分属于三斜、单斜、正交、三方和四方等5种晶系共94种,其中兼有铁电性的铁电铁弹体有42种,属于 1、2、m、3、mm2和 3m等6种点群。

铁弹相变

铁弹体从高温顺弹相转变到低温铁弹相时,从高对称相变为低对称相的物相变化称为铁弹相变,可以是一级相变或二级相变。铁弹相变的临界温度Tc称为铁弹居里温度,如果铁弹体有两个或多个铁弹相(例如Fe3B7O13Cl),则温度最高的铁弹-顺弹相变才称铁弹居里温度,其他铁弹-顺弹相变温度也称为过渡温度。这与铁磁体和铁电体有着对应的类似。有些铁弹体虽然也能显示铁电性,但其序参量不是自发极化pS而是点阵参量, pS和介电反常起源于力电耦合和点阵形变的二次效应,所以也称为非本征铁电体。

铁弹畴

铁弹体内部自发应变方向一致的区域称为铁弹畴,相邻两铁弹畴之间的过渡层称为畴壁。相变时,畴壁经受相邻两畴的等效形变,为了满足力学相容性要求,铁弹畴壁的表面能具有较高的各向异性。铁弹畴可用化学腐蚀法和偏光显微镜法等多种方法进行观察。

应用

铁弹体的所有偶数阶极性张量能随应力而转向,其偶数阶极性张量与应力间关系呈滞后回线。利用二阶张量(自发应变、矫顽应力、介电常数、折射率、电导率、膨胀系数、热传导系数)和四阶张量(弹性模量、电致伸缩率和光弹性常数)随应力而转向的特点,借铁弹体状态变化和铁弹相变导致的物理性能变化,可以作成各种力敏元件。铁弹半导体 (例如VO2)、铁弹超导体(例如 Nb3Sn)、铁光弹体和铁电铁弹体(例如RS)等新型多功能铁弹体,在能量转换、信息变换和存储等方面都有着广泛的应用前景。但是由于缺乏性能优越的材料,尚未得到实际应用。

示意图

图1中εs为自发应变;σc为矫顽应力。许多具有铁电性的材料也具有铁弹性。

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