結構相變

鐵彈性相變(ferroelastic transition)

鐵彈性相變是一種結構變化:晶體會自發地產生應變——降溫時它自己扭曲成較低對稱的形狀——而且關鍵在於,這個應變可以指向不只一個等價方向,於是晶體裂成若干區(疇),各區應變不同,卻是彼此互為鏡像的複本。使它成為「鐵性(ferro)」的,是你能靠施加機械應力把一個疇從一種應變態切換到另一種,正如鐵磁體的疇在磁場下切換一樣。它的應變對應力曲線甚至呈現遲滯迴圈。

母相較對稱;降溫越過相變時,對稱以某種方式降低(一步群-子群),使單位晶胞得以扭曲——比方立方晶胞變成正方,而它可以沿 x、y 或 z 拉長。每一種選擇是一個鐵彈性變體,真實晶體裡含有數個,彼此以疇壁(常是鏡面雙晶界)分隔。對晶體施力,疇壁便移動:取向有利的變體以犧牲其他變體為代價長大,於是晶體可以被機械地「極化」。這些相變許多是位移型、由軟模驅動;有些同時也是鐵電的(應變與極化一起切換)。

鐵彈性是更廣的鐵性(ferroic)相變家族的一支(鐵彈性對應應變、鐵電對應極化、鐵磁對應磁化),它們全都源於一個降對稱相變造出若干等價的疇態。鐵彈性與耦合的鐵電材料(如鈣鈦礦鋯鈦酸鉛,PZT)是壓電感測器與致動器的基礎;形狀記憶合金本質上就是鐵彈性的。從結構看,關鍵教訓是:自發應變加上多個可切換的變體,就是它的標誌。

把一顆鐵彈性晶體(如某些鈣鈦礦)放在偏光顯微鏡下,會看到一條條交替的疇——各自沿不同方向自發應變的變體,以雙晶界分隔。沿某方向施加壓應力,取向有利的疇便逐漸長大、吞掉其他疇,應變對應力畫出一條遲滯迴圈,正如鐵磁體被磁場極化。

鐵彈性相變:晶體自發應變並裂成多個可切換的變體(疇);應力使有利變體長大,應變-應力呈遲滯迴圈。

鐵彈性相變的標誌是「自發應變 + 多個可切換的等價變體(疇)」;應力可讓有利取向的變體長大,應變-應力曲線呈遲滯迴圈。它是鐵性(ferroic)相變家族的一員,常與鐵電同時發生。

又稱
ferroelastic transformationferroelastic phase transition鐵彈相變