基于线性压电效应的机电器件与结构存在能量转换效率低、工作频宽窄、输出位移不足等问题,无法满足日益严苛的工程实际需求。铁电机电器件利用铁电材料内部自发极化非线性翻转实现能量转换,可以很好地解决传统压电器件存在的上述问题,为机电器件与结构的设计提供了一种全新思路和有益补充。然而另一方面,复杂的非线性滞回特性及介观电畴变动力学给铁电器件的设计、优化和控制带来了很大困难。针对上述问题,本论文结合国家自然科学基金项目(51575478):铁电材料中声波诱发电畴变的低频吸声机理研究,开展了关于铁电器件非线性滞回特性及电畴变动力学的一系列研究,论文的主要内容包括:考虑到目前几类通用的铁电滞回模型均没有很好地兼顾模型精度与效率,且不能很好地刻画铁电滞回曲线的频率依赖性,论文基于自发极化的Landau唯象描述构建了一类全新的微分型滞回模型。在微观层面,基于Landau唯象理论和广义Lagrangian力学,论文建立了描述自发极化非线性动态翻转过程的微分滞回算子。在宏观层面,论文假设材料的某些参数是分布的,并引入了一个描述材料参数分布特性的二维分布函数。与经典Preisach模型类似,宏观滞回响应最终可由一系列微分滞回算子加权叠加表示。通过在微分滞回算子中考虑自发极化的广义惯性效应和粘性效应,铁电滞回曲线的频率依赖性被自动包含进模型。为了便于后续实际工程应用,论文详细讨论了微分型滞回模型的数值实现算法、参数识别策略和逆模型构建算法。此外,考虑到铁磁滞回现象与铁电滞回现象的相似性,论文进一步将微分型滞回模型推广到铁磁滞回研究领域。考虑到初始版本微分型滞回模型的构建过程只考虑了 180°自发极化翻转的影响,非180°自发极化翻转以及偏置应力的影响没有包含进模型,模型无法刻画铁电滞回曲线的应力依赖性,论文进一步对上述模型进行了扩展。为了使模型能够包含偏置应力的影响,论文在微观层面对自由能函数ψ进行了修改。另外考虑到微分型滞回模型的分布函数依旧是二维的,模型效率不足,论文基于自发极化翻转过程的极化分布特性以及各阶回线的相似性,提出了分布函数重构的概念。数值实验结果表明扩展的微分型滞回模型可以很好地模拟不同偏置应力下的铁电滞回曲线。考虑到现有铁电纳米发电机的工作极度依赖于铁电畴结构的拓扑稳定性,存在器件鲁棒性不足的问题,论文提出了一种全新的改进策略。通过合理设计能量捕获电路,引入偏置电场,外应变诱发的自发极化翻转具有了取向选择性,机械能可以通过稳定可重复自发极化翻转过程被持续地转换为电能。论文借助相场法研究了铁电纳米发电机中的电畴变动力学,系统分析了偏置电压、外电阻、漏电流对改进型铁电纳米发电机工作性能的影响。此外,论文还构建了铁电纳米发电机的能量转换流程图,分析了铁电纳米发电机的能量转换过程,并将其与压电纳米发电机进行比较,揭示了铁电纳米发电机具有高输出能量密度的内在原因。考虑到目前大部分铁电相场模型只是电弹耦合的,论文基于连续介质热力学框架,扩展了经典铁电相场理论,温度场的影响被耦合进相场模型。基于扩展的铁电相场模型,论文研究了铁电纳米执行器中的电热弹全耦合电畴变动力学,系统地分析了铁电纳米执行器的发热机理和发热过程,讨论了工作频率和热学边界条件对器件温升的影响,在此基础上给出了器件的温度管理策略。