耐火材料熱膨脹失配界面微空間熱震穩(wěn)定機理研究

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。

抗熱震性是影響耐火材料高溫使用效果的重要指標，但目前熱震穩(wěn)定性的評價指標主要針對單一熱膨脹系數(shù)材料體系，而耐火材料在很多情況下是由兩個或多個熱膨脹系數(shù)不同的二相或多相材料組成，對此類熱膨脹失配耐火材料的熱震損傷機理尚缺少系統(tǒng)研究。本課題針對熱膨脹失配耐火材料相界面微空間的熱震穩(wěn)定機理開展研究工作，擬通過Raman Mapping研究熱震過程中相界面微空間應(yīng)力場分布與熱膨脹失配程度的關(guān)系，并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，進而深入研究相界面微空間應(yīng)力分布與裂紋行為，揭示相界面微空間對熱震穩(wěn)定性的影響規(guī)律，闡明熱膨脹失配的復(fù)合耐火材料體系熱震損傷本質(zhì)機理，為提高耐火材料抗熱震穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

熱膨脹失配，組成陶瓷材料的不同物相之間熱膨脹系數(shù)的差異。在高溫制備工藝結(jié)束冷卻后往往在材料中形成殘余應(yīng)力。

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。

內(nèi)容簡介

《耐火材料 熱膨脹試驗方法(GB/T 7320-2008)》由全國耐火材料標準化技術(shù)委員會提出并歸口。