意昂体育平台工學院航空航天工程系方岱寧課題組與吉林大學、中科院上海矽酸鹽研究所合作🫑🙅🏻，在電磁功能材料的力電磁多場耦合下的力學性能測試與表征方法和儀器研究方面取得新進展⚗️，相關成果發表在Nature出版集團的在線開源期刊《Scientific Reports》、美國物理聯合會出版的應用物理快報《Applied Physics Letters》和科學儀器評論《Review of Scientific Instruments》等期刊上。

電磁功能材料與器件固有的力電磁耦合特性，使其在電場🧎🏻‍♀️、磁場和力場及其聯合作用下發生微觀疇變，從而在宏觀上調控它的電學、磁學和力學性能。近些年，隨著科技發展👩🏻‍🌾，其特征尺寸不斷小型化和微納米化。如何測試和表征功能材料在多場耦合下的微區力學性能對於電磁結構與器件設計和質量評估有重要意義。方岱寧課題組與吉林大學合作研製了國際首臺“力-電-磁”多場微納米壓痕儀器（最大載荷：1牛頓；最大電壓：1000伏特；最大磁場🦸🏼‍♂️：8000奧斯特）🪡，可用於研究鐵電、鐵磁和多鐵等功能材料在小尺度下的電、磁致彈塑性變形行為。通過電場💍、磁場及其聯合作用下的材料微區接觸或壓入測試🦩👋🏿，獲得不同外場條件下的加卸載曲線和功能材料的多場耦合性能參數🫱👱🏼。

方岱寧課題組利用自主研製的“力-電-磁”多場微納米壓痕儀器，研究了弛豫鐵電單晶材料的力電耦合壓痕行為🥛，發現了電場對於鐵電材料硬度、等效模量和壓痕能量耗散的明顯調控作用，硬度模量比與壓痕能量耗散之間存在電控調控的線性關系👩🏿‍✈️，正負電場對於等效模量的影響存在明顯的不對稱性🧂，該實驗現象可以通過力電載荷對系統自由能的影響，以及撓曲電效應或應力梯度與極化矢量之間的耦合進行解釋。基於實驗發現的線性關系🦠，提出了不同電場下的等效模量和硬度的表征方法。該課題組還研究了鎳單晶的力磁耦合壓痕行為，不僅可以確定材料的微區力磁耦合系數，還發現飽和磁場對於鐵磁材料微區力學性質的明顯調控作用🎞🧔🏿‍♀️，包括硬度®️、等效模量、壓痕能量耗散、屈服強度和塑性指數等。實驗發現了磁場對於等效模量的影響在小尺度下遠大於宏觀尺度，原因可能是除了應力場引起磁疇旋轉導致的附加應變外，還存在應力梯度場與磁疇旋轉之間的耦合導致的新的附加應變。這種磁場引起鐵磁材料模量改變的現象稱作ΔE效應。該測試表征方法和儀器的研製可為微型化電磁調控聲學器件設計和性能評估提供依據和實驗手段。

論文鏈接：

http://www.nature.com/srep/2014/140403/srep04583/full/srep04583.html

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/104/6/10.1063/1.4865773?ver=pdfcov

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/rsi/84/6/10.1063/1.4811779

以上三篇論文的第一作者是工學院博士生周浩，通訊作者是裴永茂副教授和方岱寧院士。該工作得到了國家自然科學基金重大項目和科技部國家重大科學儀器設備開發專項的支持🦘。

a- b🧚🏻‍♀️：儀器設計示意圖與實物圖；c-d：不同電場/磁場下的載荷-深度曲線；e-f：力電/力磁耦合壓痕標度關系