固体介质中的冲击极化效应
相关概念解释
冲击极化效应（Shock Polarization Effect） 是指材料在受到高强度冲击载荷（如冲击波、爆炸或冲击压缩波）作用时，材料内部的电荷发生重新分布，从而在材料内部或表面产生电极化现象。这种效应通常出现在具有压电性、铁电性或介电特性的材料中。
力电耦合实验是指通过施加机械载荷（如应力、应变、冲击波等）并测量材料的电响应（如极化、电场或电位差）来研究材料的力-电相互作用。此类实验常用于研究压电材料、铁电材料和介电材料在应力场或冲击载荷作用下的动态响应。
Allison理论是一种用于描述压电材料断裂力学中的力-电耦合行为的理论模型。该理论最初由J. E. Allison提出，旨在研究压电材料和铁电材料在机械载荷和电场耦合作用下的裂纹扩展和断裂机制。由于压电材料在机械载荷和电场作用下会发生应力-电场的耦合作用，裂纹前缘的应力分布、极化效应和电荷分布会彼此影响。
张裕恒理论是由中国著名物理学家张裕恒教授提出的，主要涉及铁电材料的微观机制和相变理论，特别是对铁电材料中的畴壁运动、极化反转和相变动力学的理论描述。
冲击挠曲电理论是一种研究材料在冲击载荷或应力波作用下的电荷分布、极化和电信号的理论。它将挠曲电效应（Flexoelectricity）与冲击力学结合起来，用于解释在应力波、冲击载荷和动态加载条件下，材料内部如何产生电荷分布、极化反转和电压信号。这一理论在压电材料、铁电材料和岩石电信号的研究中具有重要的应用，尤其在地震前兆信号的电场探测、铁电材料的电荷响应和力-电耦合材料的研究中受到关注。
产生机制
冲击波在材料中传播时，会引起应力、应变和温度场的剧烈变化，这可能导致材料的晶格结构畸变或局部的电偶极子取向变化。由于以下几种机制，材料可能会表现出冲击极化效应：
压电效应：在压电材料（如石英、钛酸钡）中，冲击波引发的应力变化会导致电荷的重新分布，从而在材料内部或表面产生电势差。
铁电-顺电相变：某些铁电材料（如钛酸钡）在冲击压缩下会发生铁电-顺电相变，在此过程中，材料的自发极化被破坏，电偶极子重新排列，导致净极化。
介电弛豫效应：介电材料中的极化分子（或电偶极子）在冲击波作用下发生取向变化，进而产生电势变化。
空穴和电子的分离：在某些情况下，冲击载荷会引发电子和空穴的分离，导致材料内部的电场变化。
不同冲击压力、不同加载速率条件下固体介质表现出的力学行为与极化响应特性具有明显差异，例如：较小冲击压力与较低加载速率条件下，固体介质发生变形，应力波传播引起应力/应变梯度，电信号较平稳；冲击压力过大或加载速率较高时，固体介质发生大变形，萌生微/宏观裂纹甚至破碎，电信号波动较大。
离子晶体中的热电、压电、挠曲电和热释电效应涉及到材料内部的电荷运动、极化变化和电位变化，这些效应在外部物理场（温度场、应力场和应变场）的作用下表现出不同的物理机制和效应。下面对这四种效应的机理、控制方程和物理本质逐一解释，重点说明离子晶体的结构特性对这些效应的影响。
热电效应
热电效应是温度梯度引发的电压，主要由电子或离子的扩散产生。在离子晶体中，热电效应的核心在于离子扩散和电荷不平衡：
当材料的一侧被加热，高温侧的离子会获得更高的动能，离子向低温区扩散。
由于正负离子的迁移速率不同，导致材料中电荷不平衡，形成电场和电势差。
热电效应的本质是温度梯度引发的离子扩散和电荷分离。
在离子晶体中，不仅有电子的扩散，还包括阳离子和阴离子的定向扩散，从而在材料的两端形成电势差。
压电效应
压电效应是应力或应变诱导的极化现象，常见于无中心对称的晶体结构。
当外部施加机械应力时，离子位移会破坏电偶极矩的对称性，从而在材料的表面产生电荷分离和电场。
在离子晶体中，阳离子和阴离子在应力作用下会发生位移不对称，从而在材料的表面感应出电场。
例如，在钛酸钡 (BaTiO₃) 晶体中，钛（Ti⁴⁺）和氧（O²⁻）的位移差异会导致电偶极矩的变化，从而在表面产生电荷积累。
挠曲电效应
挠曲电效应是应变梯度引发的极化，与压电效应的主要区别在于：
压电效应是应力引发的极化。
挠曲电效应是应变梯度引发的极化。
在离子晶体中，当应变梯度存在时，阳离子和阴离子不规则的移动会导致内部电偶极矩的变化，从而感应出电势。
热释电效应
热释电效应是温度变化导致的极化变化，与铁电材料的自发极化有关。
在离子晶体中，温度变化会改变材料的离子位置和自发极化方向，导致极化变化并产生电场。
热释电效应的本质是离子位置的热振动，当温度变化时，材料内部的自发极化发生变化，从而在材料表面产生电荷。
钛酸钡 (BaTiO₃) 等铁电材料在居里温度附近会表现出显著的热释电效应。
瞬时晶格畸变是指在极短时间尺度（如皮秒、飞秒量级）内，晶体内部的原子或离子位置的快速变化或错位，导致晶格结构的短暂失稳和形变。这种现象通常发生在材料受到外部快速激励（如激光脉冲、冲击波、热冲击或超声波）的情况下。瞬时晶格畸变可能是弹性形变、塑性形变，也可能与相变或电荷-晶格相互作用相关。
裂纹尖端放电是指在固体材料（如岩石、陶瓷、压电材料）中的裂纹尖端位置，产生强电场并诱发局部放电现象。这一现象通常在断裂、冲击、压缩或拉伸加载过程中发生，尤其是应力集中和电场局部增强的地方。由于裂纹尖端的电场增强效应（类似于法拉第针尖效应），局部的电场强度可能远高于材料的击穿电场，从而引发电离放电、火花放电或电子发射。
热电子发射（Thermionic Emission）是指在高温条件下，导体或半导体中受热激发的电子克服材料表面的逸出功，从材料中“逃逸”到真空或气体中的现象。这种效应在电子管、热离子发射阴极、电子枪、X射线管和等离子体放电等设备中有广泛应用。
热电子发射的物理机理可以用电子能带理论和逸出功（work function）来解释。逸出功是电子从材料中逃逸所需的最小能量，通常以电子伏特（eV）为单位。金属的逸出功一般在2 eV - 6 eV之间，而半导体的逸出功更低（如硅约为4.5 eV）。如果在外部加电场，电场会使势垒变窄，即“施密特效应（Schottky效应）”，从而降低逸出功，这使得电子更容易逸出。
固体介质的冲击极化效应
晶体受到冲击时产生的电信号主要源于各向异性应力诱发的空间电荷扰动-激波极化（或离子极化），且极化状态处于非热力平衡状态，极化效应随时间（应力波压缩物质平衡态后）衰减。此外，受冲击晶体的物理性质的改变（例如绝缘体-导体转变）亦会影响晶体的电输出特性。
常态下金属材料为晶体，其微观结构（原子）呈周期性规则排列，电子围绕原子分布，宏观呈电中性。冲击载荷下金属材料内部电子吸收动能，波阵面电子能级跃迁并向两级移动/扩散，此过程中产生了电动势，并对外输出电信号。此外，金属材料在冲击载荷作用下发生局部结构畸变或弹塑相变，由此诱导的电磁效应对冲击电响应亦有所影响。
陶瓷材料受到冲击压缩应力波的影响，内部偶极子、电畴会发生变化，诱导陶瓷材料发生极化/去极化现象。
冲击条件下，聚合物类材料产生非均匀应力/应变场，分子链失去/俘获电子形成孤子、极化子以及双极化子，同时载流子在分子链内/间传递迁移，产生极化效应。早期研究认为，聚合物在冲击波加载下的极化效应源于大分子内偶极子的定向移动与取向，冲击波前瞬态弛豫亦会影响聚合物的极化特性。
含能材料的冲击极化效应不仅与冲击波的传播特性有关，通常还伴随化学反应。复合材料通常具有多组分特点，其物理性能通常亦具有多样性，复合材料表现的冲击极化特性与各组分间界面性能有关。
冲击极化效应的数值模拟方法
有限元方法适用于冲击载荷下固体介质的宏观应力、应变分析，亦可描述冲击波在材料内的传播特性，结合力电耦合方程，可获得极化电场、电势等信息。
分子动力学可从原子、分子尺度阐明固体介质的冲击极化机理，结合第一性原理、密度泛函理论（density functional theory，DFT）可获得冲击下固体介质微观结构的形变、电场以及电荷分布特性等，其中：第一性原理从基本物理规律出发，无需考虑实验参数，可计算材料的能量、电子结构以及力学性质等；
密度泛函微扰理论（density functional perturbation theory, DFPT）可采用任意波矢量 q 处理不相称的晶格畸变，独特优势在于精确计算材料的线性、非线性响应特性
近场动力学（peridynamics, PD）兼具分子动力学与无网格法的优点，避免了连续性建模与空间微分方程传统算法在求解不连续问题时的奇异性，可应用于宏-微观跨尺度研究固体介质的动力学行为与电学特性。
相场法以 Ginzburg-Landau 理论为基础，通过微分方程可获得冲击过程中固体介质微观结构相变、载流子扩散以及电场/电势等瞬态变化。结合朗道理论与位错应力场理论构建的位错相场模型，可实现铁电薄膜畴结构分析，单位错与周期位错影响下铁电薄膜中畴结构的变化。
冲击极化效应的应用
一般认为，固体介质的冲击极化效应与材料属性、试件几何形状、冲击波参数以及初始/压缩后材料电学性质的差异有关。
基于冲击极化效应原理可制备传感器、俘能器以及致动器等结构，例如：挠曲电效应柔性传感器可监测人体的生理信号，如心电、血压等；而硬质传感器则可用于测量冲击压力、加速度以及时间相关的冲击波参数；在俘能器方面，可利用冲击极化效应制备小型发电机，通过收集环境中的振动或机械能为电子设备供电，具有较高的能量转换效率和灵活性。
冲击极化效应在纳米尺度测量、结构健康监测等领域亦有应用。在纳米尺度测量方面，根据微小力、力矩或小冲击下微纳尺度试件的冲击极化特性可表征其几何特性，例如：在扫描探针显微镜中，可以通过测量探针的冲击极化效应获取样品表面的信息，如表面形貌、力分布等。另外，在纳米尺度上，冲击极化效应可用于研究分子间的相互作用力。在结构健康监测方面，通过测量材料的等效力电耦合系数可评估结构的力学性能和稳定性，例如：在桥梁、高层建筑结构中安装挠曲电传感器监测结构的应力、应变等参数，可发现结构安全隐患。
