平台网状多孔陶瓷断裂行为研究新进展

    近日，《Frontiers in Chemistry》刊发平台李亚伟教授团队最新研究成果：多孔介质燃烧用莫来石网状多孔陶瓷断裂行为研究“Fracture behavior of mullite reticulated porous ceramics for porous media combustion”。该研究基于CT断层扫描-三维重构具有真实骨架结构的莫来石网状多孔陶瓷模型，采用实验测试与有限元模拟对比分析，探究多孔陶瓷的宏观结构、微观缺陷对材料骨架应力分布的影响，进一步揭示网状多孔陶瓷的断裂机理。这项工作为多孔陶瓷强韧化设计指明了方向。

论文第一单位是武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，第二单位是武汉科技大学高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心，第三单位为大连理工大学，第四单位德国弗莱贝格工业大学。通讯作者为平台李亚伟教授，博士生梁雄为第一作者，青年教师潘丽萍、朱天斌、王庆虎，大连理工大学李本文教授、德国弗莱贝格工业大学Christos G. Aneziris教授为共同作者。

莫来石网状多孔陶瓷孔筋截面图：（a）中空骨架 （b）致密骨架

莫来石网状多孔陶瓷CT断层扫描图：（A）中空骨架 （B）致密骨架 （C）三维重构模型

莫来石网状多孔陶瓷应力分布图：（A）含中空骨架模型 （B）含致密骨架模型

论文简介：莫来石网状多孔陶瓷作为多孔介质燃烧的关键部件，其力学性能直接决定着燃烧器的使用寿命。但是，网状多孔陶瓷不规则的孔结构使得材料的断裂行为呈离散分布，无法揭示多孔陶瓷的断裂机理。基于此，本研究工作提出采用CT断层扫面-三维重构出具有真实结构的多孔陶瓷模型，并结合有限元模型和单轴压缩实验分别研究材料的断裂行为和损毁机制。结果表明：基于真实模型和有限元分析得出的弹性模量比不考虑孔筋缺陷的Gibson-Ashby模型计算得到的弹性模量低；在莫来石多孔陶瓷的轴向受压过程中，骨架表面缺陷先于骨架内部三角尖端产生应力集中，进而导致骨架首先在表面缺陷处发生断裂；随着骨架中缺陷的消除以及致密骨架的形成，多孔陶瓷的应力均匀分布在整个骨架，应力集中现象消失，显著提高了莫来石网状多孔陶瓷的抗损毁能力。

该项研究得到了中国国家自然科学基金委面上基金（No.51872211）和青年基金（No.51802230；No.51702240）的支持。

全文链接https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00792