耐火材料裂纹端部场与热震断裂能耗散机制研究

耐火材料是高温工业生产的基础，提高耐火材料的的抗热震稳定性，探讨耐火材料热震损毁机理具有重要的工程与学术价值。本项目针对耐火材料裂纹局域应力场与热震断裂能耗散机制开展研究工作，发展了四类可用于微纳米局域应力场实时传感与成像的技术，分别是：基于拉曼光谱及压致发光光谱成像技术对裂纹扩展过程区与裂尖塑性区进行原位表征，基于压电电子学/压电光电子学效应的微纳米柔性应力传感阵列，基于应力发光材料的自发光效应对热震裂纹端部应力场的应力可视化传感，以及基于摩擦电阵列传感器件的耐火材料试样预制裂纹局域应力自供能实时传感。在此基础上，研究了耐火材料微结构对裂纹尖端应力场的影响，以及热震裂纹局域应力分布与裂纹扩展/闭合行为，探索了颗粒相增韧界面对热震断裂能耗散过程影响的内在联系。通过弹塑性模型对裂尖塑性区应力/应变行为开展了使役环境下耐火材料的热—损伤模型研究，为完善复相耐火材料体系热震损伤理论，提高耐火材料抗热震稳定性提供理论依据。在本项目的资助下，我们课题组的研究工作逐渐形成自己的研究特色。尤其是基于压电电子学/压电光电子学效应的微纳米柔性应力传感阵列，基于应力发光材料的自发光效应的应力可视化传感，以及基于摩擦电阵列传感器件的局域应力自供能实时传感这三个方面引起了相关研究领域的广泛关注。迄今为止，已在主流国际学术刊物发表标注本基金资助的学术论文13篇，其中被中科院一区所收录的期刊论文有11篇，在材料学顶尖期刊Advanced Materials上发表论文4篇，ESI高引用论文1篇，以及约稿综述2篇；参加国际和国内学术会议报告5人次；应邀作为SCI期刊Journal of Nanomaterials的客座编辑出版Functional Devices for Clean Energy and Advanced Sensor Applications专辑。

由于耐火材料抗热震问题的复杂性，加之缺少获取热震裂纹尖端局域应力场信息的有效手段，宏观力学信息与微观结构的关系尚不明确，在热震损毁的物理本质研究方面，迄今仍未建立起较为完善的理论。本课题针对耐火材料裂纹局域应力场与热震断裂能耗散机制开展研究工作，拟采用SERS成像技术对裂纹扩展过程区与裂尖塑性区进行原位表征，研究耐火材料微结构对裂纹尖端应力场的影响，深入研究热震裂纹局域应力分布与裂纹扩展/闭合行为，探索颗粒相增韧界面对热震断裂能耗散过程影响的内在物理机制。通过弹塑性模型对裂尖塑性区应力/应变行为模拟分析，揭示裂纹过程区、裂尖塑性区和应变幅等因素对耐火材料热震裂纹扩展的影响机理，阐明热震裂纹扩展过程中裂纹尖端应力行为对材料抗热震性能的影响规律，完善复相耐火材料体系热震损伤理论，为提高耐火材料抗热震稳定性提供理论依据。

非发震断裂是指场地内与震源无构造联系的断裂。根据对通海和海城两次地震的宏观震害调查，证实非发震断裂无加重震害的趋势。例如海城地震后调查了500多个村庄，其中28个村庄位于非发震断裂上，它们的震害指数在同类场地平均震害指数衰减曲线上是随机分布的(图3－20)。因此，不应提高非发震断裂的场地烈度。

按照项目计划的安排，针对热膨胀失配复相耐火材料相界面微空间的热震稳定机理开展研究工作，研究了不同基质相/分散相微结构特征、力学性能、成型与烧结工艺、界面结合特性、热膨胀失配类型与失配度等因素对热震过程中界面应力的影响关系，讨论了物相组成、微结构与热失配特征对复相耐火材料热震稳定性的影响规律；研究了多种分散相结构下耐火材料试样的粉料含量、成型条件、烧成温度等对抗热震性能的影响规律，研究了分散相结构对裂纹/微裂纹成核、扩展、钉扎、偏转等的影响规律，考察了分散相结构对热震应力耗散机制的影响；以Raman光谱技术研究了热震前后复相耐火材料热膨胀失配相界面微空间的局域应力对基质相与分散相介质谱线频移的影响，开展了相界面微空间局域应力场的逆向重构；以非线性弹性理论为基础对热膨胀失配界面的应力场进行模拟分析，研究了相界面微空间应力分布与裂纹行为，讨论了相界面微空间对热震稳定性的影响规律；开展了非均质界面Micro-Raman光谱与微区应力研究工作，利用电镜原位检测技术和基于Piezotronics与Piezo-photonics原理的微纳米应力敏感器件对耐火材料相界面及裂纹特征区域进行微观结构的原位表征，构筑了一系列微纳米应力传感器，实现了耐火材料相界面局域应力场的原位检测。迄今为止，本项目在国内外学术期刊发表研究论文全文17篇，其中SCI收录12篇，影响因子累计超过90，EI收录4篇，ISTP收录5篇，国内核心刊物2篇，有5篇重要的学术论文发表在材料学领域顶尖期刊Adv Mater和Nano Lett上；国际和国内学术会议报告5次；出版学术著作1部；申请国家发明专利3项。目前，该研究已经基本完成预定计划。