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BCZT无铅压电陶瓷的结构设计与性能优化

BCZT无铅压电陶瓷的结构设计与性能优化

作者：王薄笑天安徽理工大学

学位级别：硕士

2009年任晓兵教授发现锆钛酸钡钙(BCZT)无铅压电陶瓷具有可以与含铅压电陶瓷相媲美的压电性能,引起了相关科研工作者的广泛关注。本论文以性能较优秀但是相关研究刚刚起步的(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3(BCZT)无铅压电陶瓷材料作为研... 详细信息

2009年任晓兵教授发现锆钛酸钡钙(BCZT)无铅压电陶瓷具有可以与含铅压电陶瓷相媲美的压电性能,引起了相关科研工作者的广泛关注。本论文以性能较优秀但是相关研究刚刚起步的(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3(BCZT)无铅压电陶瓷材料作为研究对象,在陶瓷样品制备工艺、Zr/Ti以及Ba/Ca含量比值微调对材料性能的影响等几个方面做了相关研究工作,论文的主要内容如下：第一章为绪论部分,首先简单介绍了压电陶瓷的基本特征,重要的性能参数以及其主要类型。然后介绍了目前无铅压电陶瓷的研究近况以及选题原因。最后明确了本文的主要研究内容。第二章为试验方法的详细介绍。首先详细记录试验样品的制备过程,然后设计合适的样品表征方法对样品的各方面性能进行评估,对各项测试所用的仪器简单介绍。第三章主要研究了不同的样品制备工艺对BCZT无铅压电陶瓷材料各方面性能的影响。烧结温度根据组内之前的工作经验设定为1540。C,改变烧结保温时间,分别检测各保温时间不同的样品的相关性能,对比之间的差距,优化工艺条件。从微观形貌来看,烧结保温时间不同的各个样品的晶粒尺寸变化显著,这也进而直接影响到材料的压电性能好坏。各个样品的致密度、介电性能、铁电性能等也进行了对比。第四章主要研究了Zr/Ti含量比值的微调对(Ba0.85Ca0.15)(ZrxTi1-x)O3无铅压电陶瓷各项性能的影响。研究讨论了系数x在0.00-0.20之间的5个取值所引起的(Ba0.85Ca0.15)(ZrxTi1-x)O3压电陶瓷性能的变化趋势。Zr元素对陶瓷材料的居里温度变化影响显著,具体的表现为随着Zr含量的增大,样品的居里温度向低温区移动。另外介电常数随着Zr含量的增大上升。压电常数在x=0.10处达到最大,此组分的压电性能最理想。第五章主要研究了Ba/Ca含量比值的微调对(Ba1-xCax)(Zr0.1Ti0.9)O3无铅压电陶瓷各项性能的影响。实验思路类似于第三章,研究讨论了系数x在0.05-0.25之间的5个取值所引起的(Ba1-xCax)(Zr0.1Ti0.9)O3压电陶瓷的性能的变化趋势。随着Ca含量的增加,陶瓷样品的晶粒尺寸渐渐减小,而居里温度点则向低温区移动。压电常数d33在x=0.15处达到最大值。第六章是对全文的总结以及对未来进一步工作的展望。

关键词：无铅压电陶瓷锆钛酸钡钙陶瓷烧结保温时间压电性能偏压介电

高压扭转法制备非均匀层状结构Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的组织演变与力学性能

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稀有金属材料与工程 2021年第9期50卷 3125-3132页

作者：薛克敏王薄笑天吴广善严思梁李萍合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009

采用透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)和Instron试验机对试验温度400℃下高压扭转变形加工的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行组织和力学性能的表征与测试。结果表明,变形试样的晶界和晶粒中的第二相明显被破碎和细化,晶界无沉淀析出... 详细信息

采用透射电子显微镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)和Instron试验机对试验温度400℃下高压扭转变形加工的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行组织和力学性能的表征与测试。结果表明,变形试样的晶界和晶粒中的第二相明显被破碎和细化,晶界无沉淀析出带宽度变窄,大大提高了变形试样的强度和塑性。初始样品的晶粒取向是随机分布的。当应变较小时,试样的晶粒尺寸、晶粒取向和局部取向差异均呈现非均匀的片层状分布。由于非均匀层状组织在变形过程中产生的背应力强化效应,0.5圈变形试样的力学性能最好。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高压扭转不均匀片层状组织第二相力学性能

压扭成形关键工艺参数对铝合金杯形件性能的影响

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中国机械工程 2017年第10期28卷 1227-1232页

作者：丁永根薛克敏王久林李萍王薄笑天合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009

采用压扭复合成形工艺实现某型号Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件成形,采用金相观察、拉伸试验和扫描电镜等分析测试手段,研究了不同工艺参数对Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件微观组织、力学性能和断裂方式的影响。结果表明,Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件压扭成... 详细信息

采用压扭复合成形工艺实现某型号Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件成形,采用金相观察、拉伸试验和扫描电镜等分析测试手段,研究了不同工艺参数对Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件微观组织、力学性能和断裂方式的影响。结果表明,Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件压扭成形最佳温度为400℃,此时微观组织几乎全部由细小等轴晶组成,材料抗拉强度最高为430MPa,强度提高了49.8%;当变形温度高于300℃时,Al-Zn-Mg-Cu合金压扭变形后其断裂方式为塑性断裂,而当成形温度低于300℃时,其断裂方式呈现一定程度的脆性断裂;Al-Zn-Mg-Cu合金杯形件压扭成形扭转圈数不宜过大(不大于5圈),当扭转圈数较小(不大于5圈)时,Al-Zn-Mg-Cu合金压扭变形后其断裂方式为塑性断裂,且随着扭转圈数的增大,微观断口表面韧窝数量增加,韧窝深度加深;当扭转圈数较大(大于5圈)时,其断裂方式呈现一定程度的脆性断裂。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金压扭成形微观组织抗拉强度断裂方式

高压扭转变形的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金显微组织及织构

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中国有色金属学报 2017年第6期27卷 1125-1131页

作者：丁永根王薄笑天李萍薛克敏合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009

在380℃变形条件下对不同高径比的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金试样进行高压扭转实验,借助于EBSD和XRD技术分析变形Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的显微组织、第二相粒子和织构的演变规律。结果表明:在高压扭转过程中,大量第二相粒子从过饱和Al基体中脱溶析... 详细信息

在380℃变形条件下对不同高径比的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金试样进行高压扭转实验,借助于EBSD和XRD技术分析变形Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金的显微组织、第二相粒子和织构的演变规律。结果表明:在高压扭转过程中,大量第二相粒子从过饱和Al基体中脱溶析出,显微组织明显细化,在部分三叉晶界处出现了细小的动态再结晶组织;材料织构强度随着高径比的减小而减弱;当高径比为0.20时,晶粒的择优取向方向也发生了明显变化,晶粒在、方向上出现了择优取向。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高压扭转显微组织织构高径比

7A60铝合金ECAP过程第二相演化行为及机理

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材料导报 2018年第18期32卷 3195-3198,3212页

作者：薛克敏薄冬青王薄笑天刘梅李萍合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009 合肥工业大学智能制造技术研究院合肥230009

采用X射线衍射仪、扫描电镜以及光学显微镜等手段对等径角挤压(ECAP)变形前后7A60铝合金多元合金相的演化进行研究。结果表明,轧制态7A60铝合金内部主要存在MgZn_2、Al_2Cu相,等径角挤压工艺可以明显地碎化合金内部的第二相,改善其分布... 详细信息

采用X射线衍射仪、扫描电镜以及光学显微镜等手段对等径角挤压(ECAP)变形前后7A60铝合金多元合金相的演化进行研究。结果表明,轧制态7A60铝合金内部主要存在MgZn_2、Al_2Cu相,等径角挤压工艺可以明显地碎化合金内部的第二相,改善其分布的均匀性;随着变形道次的增加,基体中粗大第二相沿剪切方向发生明显碎化,第二相发生回溶,四道次ECAP变形后第二相碎化成球状,尺寸由5~20μm碎化到1μm左右;初始态7A60铝合金抗拉强度为305MPa,随着变形道次的增加,合金的强度增强,四道后7A60铝合金的抗拉强度为492MPa;拉伸断口表现为韧性断裂,第二相对韧窝的形状和尺寸起决定性作用。

关键词：等径角挤压 7A60铝合金第二相回溶韧性断裂

高能缺陷和第二相对新型超高强铝合金腐蚀行为的影响

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中国有色金属学报 2019年第4期29卷 693-699页

作者：王薄笑天薛克敏严思梁薄冬青李萍合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009 合肥工业大学智能制造技术研究院合肥230009

采用等径角挤压(ECAP)和固溶时效处理获得超高强铝合金,并采用透射电子显微镜、扫描电镜以及电化学工作站等测试手段对其微观结构演变以及电化学腐蚀行为进行研究。结果表明:等径角挤压变形后晶粒细化至亚微米(9.68→1μm),大变形诱导... 详细信息

采用等径角挤压(ECAP)和固溶时效处理获得超高强铝合金,并采用透射电子显微镜、扫描电镜以及电化学工作站等测试手段对其微观结构演变以及电化学腐蚀行为进行研究。结果表明:等径角挤压变形后晶粒细化至亚微米(9.68→1μm),大变形诱导的溶质原子偏析和不连续脱溶效应造成第二相长大(53→416 nm)和晶界偏聚;大塑性变形材料经固溶时效处理后,部分第二相的晶界偏析现象减弱,呈细小颗粒状弥散分布于铝基体中。细晶组织和高能缺陷有利于形成附着力良好且致密稳定的氧化膜,晶界偏析的减弱和弥散细小的第二相抑制了点蚀对晶间腐蚀的促进作用,最终显著优化超高强铝合金的耐腐蚀性能。

关键词：超高强铝合金等径角挤压高能缺陷第二相腐蚀行为

高压扭转对Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金抗应力腐蚀性能影响

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稀有金属材料与工程 2019年第9期48卷 2981-2986页

作者：李萍吴广善魏学峰王薄笑天严思梁薛克敏合肥工业大学

在400℃下对铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行压强为1GPa的高压扭转和热处理实验,并利用金相显微镜、电化学工作站、慢应变速率拉伸机测试初始及变形试样的显微组织、电化学腐蚀性能及抗应力腐蚀性能。结果表明,高压扭转通过调控晶粒和第二... 详细信息

在400℃下对铸态Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金进行压强为1GPa的高压扭转和热处理实验,并利用金相显微镜、电化学工作站、慢应变速率拉伸机测试初始及变形试样的显微组织、电化学腐蚀性能及抗应力腐蚀性能。结果表明,高压扭转通过调控晶粒和第二相的尺寸与分布,可以同时提升7系铝合金的抗拉强度和抗应力腐蚀性能。铸态合金由于晶界处团聚的粗大第二相持续腐蚀,导致明显的晶间腐蚀及较差的抗应力腐蚀性能。0.5圈变形后第二相破碎及含量减少导致试样腐蚀敏感性降低,同时晶粒细化能减小面滑移而增大均值滑移模式,使HPT变形后试样的抗应力腐蚀性能显著提升。2圈变形后试样为尺寸更加细小的均匀细晶组织,其均值滑移模式相比于0.5圈变形试样进一步增强,但在剧烈点蚀与应力集中的共同作用下,抗应力腐蚀性能略有降低。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金高压扭转电化学腐蚀抗应力腐蚀

Al-Zn-Mg-Cu合金高压扭转变形微观组织及力学性能

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中国机械工程 2018年第13期29卷 1627-1631页

作者：薛克敏刘梅丁永根王薄笑天李萍合肥工业大学材料科学与工程学院合肥230009

以Al-Zn-Mg-Cu合金为研究对象,在不同变形工艺条件(扭转圈数、变形温度)下对其进行高压扭转试验,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射技术(XRD)以及硬度测试等手段分析变形工艺参数对合金微观组织和力学性能的影响规律。... 详细信息

以Al-Zn-Mg-Cu合金为研究对象,在不同变形工艺条件(扭转圈数、变形温度)下对其进行高压扭转试验,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射技术(XRD)以及硬度测试等手段分析变形工艺参数对合金微观组织和力学性能的影响规律。研究结果表明:原始铸态组织呈等轴状,分布不均匀,粗大的第二相粒子(Al_2Cu、MgZn_2)沿晶界呈链状分布;高压扭转变形过程中,随着变形温度的升高、扭转圈数的增多,基体组织中粗大的第二相粒子数量明显减少,分布更加均匀,第二相粒子回溶进Al基体,获得过饱和固溶体;高压扭转变形后的Al-Zn-Mg-Cu合金位错密度显著上升,并且扭转圈数越多,变形温度越高,位错密度增加幅度也越大,微晶尺寸则随着扭转圈数的增大和变形温度的升高而减小;高压扭转变形后Al-Zn-Mg-Cu合金显微硬度值总体上随扭转圈数增大和变形温度升高而增大。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金高压扭转微观组织力学性能

高压扭转-时效处理后新型Al-Zn-Mg-Cu合金的断裂行为

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塑性工程学报 2021年第6期28卷 152-159页

作者：薛克敏王薄笑天严思梁李萍合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009

为了研究大塑性变形及时效处理对新型Al-Zn-Mg-Cu合金断裂性能的影响,对新型Al-Zn-Mg-Cu合金进行4、8和12圈的高压扭转变形,然后进行时效处理。采用OM、SEM、EBSD和TEM研究了高压扭转-时效处理对该合金断裂性能的作用机理。发现试样扭转... 详细信息

为了研究大塑性变形及时效处理对新型Al-Zn-Mg-Cu合金断裂性能的影响,对新型Al-Zn-Mg-Cu合金进行4、8和12圈的高压扭转变形,然后进行时效处理。采用OM、SEM、EBSD和TEM研究了高压扭转-时效处理对该合金断裂性能的作用机理。发现试样扭转4圈后粗大的第二相(Al2CuMg相和MgZn2相)得到细化,强度和伸长率得到提高,但当试样扭转8和12圈时,在拉伸变形时趋向于发生脆性断裂;扭转12圈的试样经过时效处理后,强度和伸长率可得到提高,合金趋向于发生韧性断裂。结果表明,高压扭转变形可在一定程度上提高该新型Al-Zn-Mg-Cu合金的强度和断裂性能,但过多的剪切变形反而对合金的强化和韧性不利。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金高压扭转时效处理断裂行为