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无铅压电陶瓷的研究进展

刘文凤 , 周超 , 高景辉 , 薛德帧 , 张立学 , 李盛涛 , 任晓兵

中国材料进展 doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.06.04

压电陶瓷已被广泛应用于航空航天、舰艇声纳、高速列车、汽车、精密仪器控制、移动通讯、办公及家用电子产品等领域，在全球已经形成了每年近百亿美元的巨大市场。然而，目前压电产业主力产品为对人体及环境有害的锆钛酸铅（ PZT）陶瓷。随着国际上对电子产品中使用含铅等有害材料的限制愈来愈严格，拥有巨大市场的压电陶瓷的无铅化已成为摆在全球面前的紧迫任务。准同相界（ MPB）是获得高压电性能的关键所在，现已开展了大量的研究工作，旨在揭示MPB的物理本质并基于MPB原理获得具有大压电效应及电致应变的环境友好型压电陶瓷。综述了3类性能最优的无铅压电材料体系：钛酸钡基（ BT）、铌酸钾钠基（ KNN）和钛酸铋钠基（ BNT）陶瓷，包括近年来在压电理论及实验方面的代表性研究进展。

关键词: 无铅压电陶瓷 , 铌酸钠钾基 , 钛酸钡基 , 钛酸铋钠基 , 准同型相界

基于新原理的铁性智能材料高性能化

任晓兵

中国材料进展

关键词:

Fe-1.83C马氏体中碳的有序化──Ⅰ.普通有序相的晶体结构

任晓兵 , 王笑天 , 清水谦一 , 唯木次男

金属学报

采用电子衍射方法对Ｆｅ－１．８３Ｃ马氏体室温时效时产生的有序相结构进行研究，确定其结构为偏离化学计量成分Ｆｅ_４Ｃ的γ′－Ｆｅ_４结构，称为γ′－Ｆｅ_ｘＣ（Ⅰ）（ｘ＝４－１１）。碳原子位于单胞的１／２，１／２，１／２位置。该有序相单胞尺寸为：（ａ_Ｍ，ｃ_Ｍ分别为马氏体单胞的ａ和ｃ轴长度），它与母相完全共格，位向关系为（００１）_Ⅰ∥（００１）_Ｍ，［１００］_Ⅰ∥［１１０］_Ｍ。根据γ′－Ｆｅ_ｘＣ（Ⅰ）晶体结构计算出的有序相衍射花样与实验得到的衍射花样全部吻合。

关键词: Ｆｅ－Ｃ马氏体 , ordered structure , aging , interstitial ordering

Fe-1.83C马氏体调幅分解的TEM研究

任晓兵 , 王笑天 , 清水谦一 , 唯木次男

金属学报

利用透射电镜研究了Ｆｅ－１．８３Ｃ（％）马氏体在室温时效后衍时斑点的漫散射及显微组织变化。利用双倾试样技术得出了漫散时斑强度在倒易空间的分布。结果表明：马氏体斑点呈漫散的角状，其立体形态由对顶的两个四棱锥构成对漫散射的Ｆｏｕｒｉｅｒ分析及ＴＥＭ显微组织分析表明：马氏体在时效时发生了调幅分解，其调幅结构由波长为≈１ｎｍ的主波和波长大于１ｎｍ的次波叠加而成；同时发现Ｆｅ－Ｃ马氏体调幅分解的一个显著特点是，调幅结构时效数月后也未长大。对马氏体正方度的研究表明：在调幅分解过程中碳原子的再分布仅限于Ｏ＿ｚ八面体间隙亚点阵中。

关键词: Ｆｅ－Ｃ马氏体 , aging , spinodal decomposition , diffuse scattering , null

Fe—1.83C马氏体中碳的有序化　Ⅱ.长周期有序相的晶体结构

任晓兵 , 王笑天

金属学报

Ｆｅ－１．８３Ｃ马氏体在室温时效时，超点阵衍射斑点发生分裂，表明产生了长周期有序相。分析确定该相由普通有序相γ′—ＦｅｘＣ（Ⅰ）衍生而来，周期为１０ｃ＿Ｍ（ｃ＿Ｍ为马氏体ｃ轴的长度），称为γ′—ＦｅｘＣ（Ⅱ）（ｘ＝４—１０）．其周期不随时效时间变化，但随温度升高而增加。超点阵斑点的分裂距离所对应的长周期不是ｃ＿Ｍ的整数倍，表明周期为１０ｃ＿Ｍ，１２ｃ＿Ｍ，１４ｃ＿Ｍ的３种长周期有序结构可能同时存在，其衍射线互相干涉使超点阵斑点的分裂距离不为ｃ＿Ｍ的整数分之一。根据本研究确定的长周期有序相的晶体结构，计算出的电子衍射强度与实验观测值完全符合。本文还讨论了普通有序相γ′—ＦｅｘＣ（Ⅰ）与长周期有序相γ′—ＦｅｘＣ（Ⅱ）的相互关系。

关键词: 马氏体 , aging , long-period ordered phase , ordering

铁磁准同型相界与 Laves相稀土合金磁致伸缩效应

杨森 , 周超 , 任晓兵 , 宋晓平

中国材料进展 doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.06.06

磁致伸缩材料是制造换能器和传感器的重要磁性功能材料。此前，在铁电材料中，通过将材料成分控制在准同型相界，获得了大压电效应。因此根据铁磁与铁电材料表现出的物理效应的相似性，可以期待在铁磁材料中构建准同型相界，获得磁场导致的奇异应变特性。本文归纳了已发现的基于准同型相界而构建的Laves相稀土合金体系Tb1－x Dyx Co2， Tb1－x Gdx Co2和Tb1－xGdxFe2，总结了其磁致伸缩效应和其他物理性能与准同型相界的关系，3个体系在MPB处表现出3种不同的磁致伸缩效应： Tb1－xDyxCo2表现出大磁致伸缩、大磁导率， Tb1－xGdxCo2表现出弱磁致伸缩、大磁导率，而Tb1－xGdxFe2在MPB并没有发现特殊的效应。在铁电材料中，在MPB处各类场致应变效应都得到显著增强，因此铁磁材料与铁电材料的准同型相界效应还有显著不同，还需要更加深入的研究来揭示其作用机理。

关键词: 铁磁 , 准同型相界 , 磁致伸缩效应 , 相变

马氏体相变的分子动力学模拟

宗洪祥 , 丁向东 , 孙军 , 任晓兵

中国材料进展 doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.06.03

马氏体相变作为一类重要的结构转变而广泛存在于形状记忆合金、钢铁等智能材料以及工程材料中。从原子尺度去理解马氏体相变的微观响应机制对于开发和提高这类材料的性能至关重要。主要综述了利用分子动力学的手段研究马氏体相变的相关工作：首先介绍了形状记忆合金中的马氏体相变行为及其尺寸效应方面的研究进展；然后讲述了结构金属材料中的马氏体相变行为，特别是极端压缩变形条件下马氏体相变与塑性变形的交互作用机制。最后简述了目前相变模拟中存在的问题以及未来的发展进行了展望。

关键词: 马氏体相变 , 尺寸效应 , 计算机模拟 , 形状记忆合金 , 结构材料

铁电材料的时效效应及超大可回复电致应变

张立学 , 任晓兵

中国材料进展 doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.06.07

铁电材料的性能在铁电相变后会产生随时间变化的“时效现象”。铁电时效现象对铁电材料的应用产生重要影响，导致其性能可靠性下降。铁电时效与可动点缺陷（如氧空位）的扩散密切相关，但其微观机理一直未被阐释清楚。核心问题是无法理解铁电相变为什么会驱动点缺陷扩散。作者基于其所提出的铁电晶体中的点缺陷短程有序对称性原理，指出：铁电相变后，晶体对称性发生改变，点缺陷短程有序对称性受控于晶体对称性而发生改变的这一原理驱动了点缺陷的扩散。进一步，通过时效调控晶体点缺陷的对称性，产生电场下可逆的电畴翻转，在钛酸钡铁电材料中发现了40倍于传统电致应变的巨大可回复电致应变效应。该结果为开发大电致应变材料提供了途径。此外，通过原位偏光显微镜观察验证了可逆畴翻转过程，为可回复大电致应变提供了直接的介观证据。并对电子顺磁共振谱线进行分析，证明了点缺陷具有与晶体对称性一致的轴向对称性。同时指出，利用晶体对称性与点缺陷对称性发生改变时的时间差，可获得多尺度的新奇效应。

关键词: 铁电时效 , 钛酸钡体系 , 点缺陷 , 对称性原理 , 电致应变

应变玻璃及其奇异特性

王宇 , 周玉美 , 纪元超 , 任晓兵

中国材料进展 doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.06.01

应变玻璃是形状记忆合金材料体系中发现的短程有序晶格应变区域（纳米应变畴）的冻结态。它的宏观物理性质具有典型的玻璃化转变特征，如动态冻结特性和非各态遍历性；在微观结构上表现为母相基体中形成了许多随机分布的纳米应变畴，但平均结构不随温度改变。应变玻璃表现出一些独特的相变行为，如应变玻璃的等温马氏体相变、应变玻璃的应力诱发马氏体相变等。此外，该体系还具有许多功能特性，包括形状记忆效应、超弹性、弹热效应、阻尼效应、力控阻尼效应、Invar和Elinvar效应，因此这类新型金属智能材料具有很强的应用潜质。应变玻璃合金独特的纳米应变畴对温度和外场的响应导致了以上多种功能特性的产生。

关键词: 金属智能材料 , 应变玻璃 , 形状记忆合金 , 马氏体相变

纳米形状记忆合金的零滞后超弹性行为

丁向东 , 宗洪祥 , 张祯 , 孙军 , 任晓兵

中国材料进展 doi:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.08.05

形状记忆合金因具有形状记忆效应和超弹性等奇异的功能特性而受到广泛关注。但是，受限于一级马氏体相变的原理性制约，形状记忆合金的超弹性行为长期以来存在着能量耗散大的难题，并因此降低了材料的精密控制、疲劳性能和能量转化效率等，成为这类材料在高性能领域使用的瓶颈之一。从相变形核的角度综述了相关降低形状记忆合金超弹性能量耗散的研究工作，指出了通过降低材料相变能垒进而降低超弹性能量耗散的两个可行方案：(1)弱化自发晶格畸变量；(2)引入空间不均匀性。现有的分子动力学模拟发现纳米尺度的形状记忆合金由于其奇异的核-壳结构而同时满足以上两个解决方案，从而使得块体材料中强烈的一级马氏体相变转变为纳米尺度下的连续相变，导致材料出现奇异的零滞后的超弹性行为。这一理论也得到了近期实验的支持，从而为设计具有窄滞后超弹性行为的形状记忆合金提供了新思路与新方法。

关键词: 形状记忆合金 , 能量滞后 , 超弹性 , 纳米尺寸效应 , 马氏体相变