铁弹性

[拼音]：tietanxing

[外文]：ferroelasticity

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（图1）， 类似于铁电体的电滞回线，具有铁弹性的晶体称为铁弹体。

图1 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。所以每个取向态具有垂直于x轴或y轴的镜面对称是铁弹体的结构基础，即全对称群妷、2/m、mmm、婣m、4/mmm和半对称群1、2、m、222、mm2、3、婣、32、3m、422、嬄2m等16种点群，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。几种铁弹体和铁电铁弹体见下表所列。

图 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（见固体中的相变）。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[例如β－Gd2(MoO4)3等]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。NdP5O14铁弹畴结构如图2所示，在(100)面上具有a畴。

图2 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[例如Gd2(MoO4)3]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，目前尚未得到实际应用。

参考书目
  1. M.E.Lines and A.M.Glass，Principles and Appli-cations of Ferroelectrics and Related Materials，Clarendon Press，Oxford，1977.
阅读全文