耐火材料裂紋端部場與熱震斷裂能耗散機制研究項目摘要

由于耐火材料抗熱震問題的復雜性，加之缺少獲取熱震裂紋尖端局域應力場信息的有效手段，宏觀力學信息與微觀結(jié)構(gòu)的關系尚不明確，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)對裂紋尖端應力場的影響，深入研究熱震裂紋局域應力分布與裂紋擴展/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)應力/應變行為模擬分析，揭示裂紋過程區(qū)、裂尖塑性區(qū)和應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力行為對材料抗熱震性能的影響規(guī)律，完善復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)。

耐火材料是高溫工業(yè)生產(chǎn)的基礎，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術(shù)價值。本項目針對耐火材料裂紋局域應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/壓電光電子學效應的微納米柔性應力傳感陣列，基于應力發(fā)光材料的自發(fā)光效應對熱震裂紋端部應力場的應力可視化傳感，以及基于摩擦電陣列傳感器件的耐火材料試樣預制裂紋局域應力自供能實時傳感。在此基礎上，研究了耐火材料微結(jié)構(gòu)對裂紋尖端應力場的影響，以及熱震裂紋局域應力分布與裂紋擴展/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)應力/應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/壓電光電子學效應的微納米柔性應力傳感陣列，基于應力發(fā)光材料的自發(fā)光效應的應力可視化傳感，以及基于摩擦電陣列傳感器件的局域應力自供能實時傳感這三個方面引起了相關研究領域的廣泛關注。迄今為止，已在主流國際學術(shù)刊物發(fā)表標注本基金資助的學術(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)學術(shù)會議報告5人次；應邀作為SCI期刊Journal of Nanomaterials的客座編輯出版Functional Devices for Clean Energy and Advanced Sensor Applications專輯。

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力的影響關系，討論了物相組成、微結(jié)構(gòu)與熱失配特征對復相耐火材料熱震穩(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)對熱震應力耗散機制的影響；以Raman光譜技術(shù)研究了熱震前后復相耐火材料熱膨脹失配相界面微空間的局域應力對基質(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力場的逆向重構(gòu)；以非線性彈性理論為基礎對熱膨脹失配界面的應力場進行模擬分析，研究了相界面微空間應力分布與裂紋行為，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力傳感器，實現(xiàn)了耐火材料相界面局域應力場的原位檢測。迄今為止，本項目在國內(nèi)外學術(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篇重要的學術(shù)論文發(fā)表在材料學領域頂尖期刊Adv Mater和Nano Lett上；國際和國內(nèi)學術(shù)會議報告5次；出版學術(shù)著作1部；申請國家發(fā)明專利3項。目前，該研究已經(jīng)基本完成預定計劃。