用相场方法研究PZT铁电陶瓷氢滞后断裂.pptVIP

学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 用相场方法研究PZT铁电陶瓷氢滞后断裂 主要内容 课题背景 氢扩散相场模型 数值算例 全文总结 1. 课题背景 氢的很多有趣特性都与它的高迁移性有关，其迁移性甚至可以与溶液中的离子相比。 氢原子体积小，容易占据母相晶格间隙；以及间隙扩散的量子隧道效应促使其高的迁移性。 因此，扩散系统甚至在室温下较快地达到热力学平衡。 1. 课题背景(继续…) 1.课题背景(继续…) 1.课题背景(继续…) 1.课题背景(继续…) 1.课题背景(继续…) 2. PZT陶瓷中氢扩散的相场模型 2. 氢扩散相场模型(继续…) 2. 氢扩散相场模型(继续…) 2. 氢扩散相场模型(继续…) 2. 氢扩散相场模型(继续…) 2. 氢扩散相场模型(继续…) 2. 氢扩散相场模型(继续…) 2. 氢扩散相场模型(继续…) 3. 数值算例 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 3. 数值算例(继续…) 4. 总结 本工作用相场方法模拟氢在PZT陶瓷中的扩散过程，并考虑实验中的充氢过程； PZT铁电陶瓷有很高的氢脆敏感性，相场模拟和实验都表明，在氢浓度达到一定值后，氢致滞后断裂的应力强度因子与无氢状态相比大大降低，甚至1~2个数量级； 本工作还提出了考虑塑性变形的相场方法，对于一些可能发生塑性变形的情况，比如金属和合金材料的氢脆问题，提供了一条可行的数值方法。 * * 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 郭香华1 石三强1 乔利杰2 1香港理工大学机械工程系 2北京科技大学材料科学系 2006年5月 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 图 1. 氢在母相中扩散示意图(Pundt A and Kirchheim R, 2004) 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 可以利用氢的高迁移特性把氢溶于其他材料中，这就是近年来比较热门的储氢问题； 然而，氢原子的渗透往往会改变原材料的化学键，从而引起材料化学和物理性质的改变，比如金属氢脆问题。 图2. 氢致断裂机理示意图(Krom A H M et al, 1997) 图3. 氢致断裂形成的微裂纹(a)及断口形貌(b)(Gonzalez J L et al, 1997) 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 图4 充氢过程PZT陶瓷颜色的变化(Huang H Y et al, 2005) PZT陶瓷的介电常数、压电性能和热电性能很好，广泛应用于电容器、传感器和微机电系统等； 然而，实验表明，实际工作环境（介质和氢）对PZT陶瓷的有较大影响。 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 图 5. (a)试样受力电耦合载荷示意图（(b)以400mA/cm2 充氢20h后观察到的微裂纹 (c)不同应力强度因子下动态充氢所对应的滞后断裂时间(Wang Y et al, 2003) PZT铁电陶瓷的氢致半导体化是可逆的，而氢致滞后断裂却是不可逆的； Huang H Y et al对PZT铁电陶瓷的氢致滞后断裂进行了实验研究。 ˉ 40mm 25mm + anode cathode (a) (b) (c) 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 图 6. 用相场方法模拟二元合金的旋节线分解现象(Soel D J et al, 2003) 从能量角度来说，氢扩散可以降低整个系统的自由能； 尽管如此，能够用解析解描述的演化过程屈指可数； 用数值方法来描述一些材料微结构演化是一个可行的选择。 由于相场方法在模拟演化过程的优势，近年来吸引了不少人对相场方法及其应用进行研究。 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 本工作用相场方法模拟氢扩散过程，并进一步研究PZT陶瓷氢致滞后断裂现象； 目前，大多数相场方法考虑的是弹性变形过程，我们这里介绍的方法可以适用于弹塑性变形过程。比如金属相变、金属氢脆等问题。 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 氢原子在PZT陶瓷中的扩散可以用一个场量 来描述，即 是系统中氢原子浓度，其演化控制方程是Cahn-Hilliard方程 (1) 其中 是氢的迁移率，氢原子的化学势 可如下计算 是Gibbs自由能。 (2) 学而不思则罔●▂●思而不学则殆 专业分享，敬请收藏 固溶体中Gib