耐火材料裂紋端部場與熱震斷裂能耗散機制研究

耐火材料是高溫工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提高耐火材料的的抗熱震穩(wěn)定性，探討耐火材料熱震損毀機理具有重要的工程與學(xué)術(shù)價值。本項目針對耐火材料裂紋局域應(yīng)力場與熱震斷裂能耗散機制開展研究工作，發(fā)展了四類可用于微納米局域應(yīng)力場實時傳感與成像的技術(shù)，分別是：基于拉曼光譜及壓致發(fā)光光譜成像技術(shù)對裂紋擴展過程區(qū)與裂尖塑性區(qū)進行原位表征，基于壓電電子學(xué)/壓電光電子學(xué)效應(yīng)的微納米柔性應(yīng)力傳感陣列，基于應(yīng)力發(fā)光材料的自發(fā)光效應(yīng)對熱震裂紋端部應(yīng)力場的應(yīng)力可視化傳感，以及基于摩擦電陣列傳感器件的耐火材料試樣預(yù)制裂紋局域應(yīng)力自供能實時傳感。在此基礎(chǔ)上，研究了耐火材料微結(jié)構(gòu)對裂紋尖端應(yīng)力場的影響，以及熱震裂紋局域應(yīng)力分布與裂紋擴展/閉合行為，探索了顆粒相增韌界面對熱震斷裂能耗散過程影響的內(nèi)在聯(lián)系。通過彈塑性模型對裂尖塑性區(qū)應(yīng)力/應(yīng)變行為開展了使役環(huán)境下耐火材料的熱—損傷模型研究，為完善復(fù)相耐火材料體系熱震損傷理論，提高耐火材料抗熱震穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。在本項目的資助下，我們課題組的研究工作逐漸形成自己的研究特色。尤其是基于壓電電子學(xué)/壓電光電子學(xué)效應(yīng)的微納米柔性應(yīng)力傳感陣列，基于應(yīng)力發(fā)光材料的自發(fā)光效應(yīng)的應(yīng)力可視化傳感，以及基于摩擦電陣列傳感器件的局域應(yīng)力自供能實時傳感這三個方面引起了相關(guān)研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。迄今為止，已在主流國際學(xué)術(shù)刊物發(fā)表標注本基金資助的學(xué)術(shù)論文13篇，其中被中科院一區(qū)所收錄的期刊論文有11篇，在材料學(xué)頂尖期刊Advanced Materials上發(fā)表論文4篇，ESI高引用論文1篇，以及約稿綜述2篇；參加國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議報告5人次；應(yīng)邀作為SCI期刊Journal of Nanomaterials的客座編輯出版Functional Devices for Clean Energy and Advanced Sensor Applications專輯。

由于耐火材料抗熱震問題的復(fù)雜性，加之缺少獲取熱震裂紋尖端局域應(yīng)力場信息的有效手段，宏觀力學(xué)信息與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系尚不明確，在熱震損毀的物理本質(zhì)研究方面，迄今仍未建立起較為完善的理論。本課題針對耐火材料裂紋局域應(yīng)力場與熱震斷裂能耗散機制開展研究工作，擬采用SERS成像技術(shù)對裂紋擴展過程區(qū)與裂尖塑性區(qū)進行原位表征，研究耐火材料微結(jié)構(gòu)對裂紋尖端應(yīng)力場的影響，深入研究熱震裂紋局域應(yīng)力分布與裂紋擴展/閉合行為，探索顆粒相增韌界面對熱震斷裂能耗散過程影響的內(nèi)在物理機制。通過彈塑性模型對裂尖塑性區(qū)應(yīng)力/應(yīng)變行為模擬分析，揭示裂紋過程區(qū)、裂尖塑性區(qū)和應(yīng)變幅等因素對耐火材料熱震裂紋擴展的影響機理，闡明熱震裂紋擴展過程中裂紋尖端應(yīng)力行為對材料抗熱震性能的影響規(guī)律，完善復(fù)相耐火材料體系熱震損傷理論，為提高耐火材料抗熱震穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

非發(fā)震斷裂是指場地內(nèi)與震源無構(gòu)造聯(lián)系的斷裂。根據(jù)對通海和海城兩次地震的宏觀震害調(diào)查，證實非發(fā)震斷裂無加重震害的趨勢。例如海城地震后調(diào)查了500多個村莊，其中28個村莊位于非發(fā)震斷裂上，它們的震害指數(shù)在同類場地平均震害指數(shù)衰減曲線上是隨機分布的(圖3－20)。因此，不應(yīng)提高非發(fā)震斷裂的場地烈度。

按照項目計劃的安排，針對熱膨脹失配復(fù)相耐火材料相界面微空間的熱震穩(wěn)定機理開展研究工作，研究了不同基質(zhì)相/分散相微結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能、成型與燒結(jié)工藝、界面結(jié)合特性、熱膨脹失配類型與失配度等因素對熱震過程中界面應(yīng)力的影響關(guān)系，討論了物相組成、微結(jié)構(gòu)與熱失配特征對復(fù)相耐火材料熱震穩(wěn)定性的影響規(guī)律；研究了多種分散相結(jié)構(gòu)下耐火材料試樣的粉料含量、成型條件、燒成溫度等對抗熱震性能的影響規(guī)律，研究了分散相結(jié)構(gòu)對裂紋/微裂紋成核、擴展、釘扎、偏轉(zhuǎn)等的影響規(guī)律，考察了分散相結(jié)構(gòu)對熱震應(yīng)力耗散機制的影響；以Raman光譜技術(shù)研究了熱震前后復(fù)相耐火材料熱膨脹失配相界面微空間的局域應(yīng)力對基質(zhì)相與分散相介質(zhì)譜線頻移的影響，開展了相界面微空間局域應(yīng)力場的逆向重構(gòu)；以非線性彈性理論為基礎(chǔ)對熱膨脹失配界面的應(yīng)力場進行模擬分析，研究了相界面微空間應(yīng)力分布與裂紋行為，討論了相界面微空間對熱震穩(wěn)定性的影響規(guī)律；開展了非均質(zhì)界面Micro-Raman光譜與微區(qū)應(yīng)力研究工作，利用電鏡原位檢測技術(shù)和基于Piezotronics與Piezo-photonics原理的微納米應(yīng)力敏感器件對耐火材料相界面及裂紋特征區(qū)域進行微觀結(jié)構(gòu)的原位表征，構(gòu)筑了一系列微納米應(yīng)力傳感器，實現(xiàn)了耐火材料相界面局域應(yīng)力場的原位檢測。迄今為止，本項目在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文全文17篇，其中SCI收錄12篇，影響因子累計超過90，EI收錄4篇，ISTP收錄5篇，國內(nèi)核心刊物2篇，有5篇重要的學(xué)術(shù)論文發(fā)表在材料學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊Adv Mater和Nano Lett上；國際和國內(nèi)學(xué)術(shù)會議報告5次；出版學(xué)術(shù)著作1部；申請國家發(fā)明專利3項。目前，該研究已經(jīng)基本完成預(yù)定計劃。