耐火材料熱膨脹失配界面微空間熱震穩(wěn)定機理研究項目摘要

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力場分布與熱膨脹失配程度的關系，并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，進而深入研究相界面微空間應力分布與裂紋行為，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)。

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/分散相微結構特征、力學性能、成型與燒結工藝、界面結合特性、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、微結構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構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，研究了分散相結構對裂紋/微裂紋成核、擴展、釘扎、偏轉等的影響規(guī)律，考察了分散相結構對熱震應力耗散機制的影響；以Raman光譜技術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；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)域進行微觀結構的原位表征，構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)學術會議報告5次；出版學術著作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。

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。在高溫制備工藝結束冷卻后往往在材料中形成殘余應力。

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，分別是：基于拉曼光譜及壓致發(fā)光光譜成像技術對裂紋擴展過程區(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構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，已在主流國際學術刊物發(fā)表標注本基金資助的學術論文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。

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委員會提出并歸口。