微米级空心球的单颗粒压缩特性

一、背景

随着科技的不断发展，材料科学领域的研究日益深入。其中，空心球材料因其独特的结构和性能，在多个领域展现出了广阔的应用前景。空心球材料的力学特性与其内部结构和组成密切相关。元能科技IEST的SPFT（单颗粒力学性能测试）设备，可以深入了解空心球材料在被压缩时的力学响应，包括颗粒的压溃力、脆性特征、内部微结构等信息，为材料的进一步优化和应用提供科学依据。

二、测试设备与方法

SPFT设备能够高精度地控制位移和测量压力，从而精确采集压头加载到单个颗粒上的压力-位移曲线。另外，SPFT采用底部光学系统成像的方式，测试软件中可同步记录颗粒被压缩、变形、压溃的整个画面。这一设备特别适用于评估材料颗粒层级的耐压性和压溃力，对于理解微米级空心球在压缩过程中的行为至关重要。

图1. (左) SPFT设备；(右) 光学系统底视图

本文分别选取2款稀土氧化物空心球（XT-1和XT-2）和2款粉煤灰空心球（FM-1和FM-2）进行测试。测试过程遵循严格的标准化步骤：首先，通过乙醇分散制样，确保颗粒的均匀分布；然后，利用光学显微镜定位单个分散颗粒；接着，配置实验参数并执行压缩测试；测试过程中，观察并记录颗粒在压缩前后的形态变化。每个样品通常测试5个以上的颗粒，以确保数据的可靠性和统计意义。

三、结果分析

1、单颗粒压缩曲线和动图展示

图2. 两款不同XT空心球的单颗粒压缩曲线

图3. 两款不同FM空心球的单颗粒压缩曲线

图4. XT空心球（左）和FM空心球（右）的单颗粒压缩过程动图（节选）

2、压溃力和抗压强度对比

通过结果可以看出，每个样品平行测试10-15次的曲线一致性都比较好。所测试的2款XT空心球的单颗粒整体压溃力都远大于另2款FM空心球。由于组成相近、粒径相近，不同款式的XT空心球/FM空心球-1/-2之间倒是差异不大。

根据GB/T 43091-2023关于粉末抗压强度测试方法的国家标准，可通过单颗粒的压溃力和颗粒粒径计算颗粒的抗压强度，平均值的结果如表1所示。2款XT空心球的抗压强度比2款FM空心球约高一倍左右，XT-1比XT-2抗压强度略大一些。这可能是由于稀土材料本身具有较高的强度和硬度，使得其在受到外力作用时能够更好地抵抗形变和破坏。从图4的动图也可以看出XT空心球破碎时相对较硬质，而FM空心球显得相对松软。

表1. 不同XT空心球、FM空心球的单颗粒抗压强度

3、力-位移曲线的波浪形特征

在单颗粒压缩曲线上，还能看到空心球压溃后特殊的力-位移曲线特征，它们的力-位移曲线在压溃后均呈现出波折的形态，类似于波浪形状。这种波折可能是由于空心球内部结构的复杂性以及压溃过程中裂纹的扩展和交汇所导致的。具体来说，在压缩初期，随着压头的逐渐下压，颗粒开始发生弹性形变。当应力达到一定程度时，颗粒开始出现裂纹并发生塑性形变。随着裂纹的扩展和交汇，颗粒逐渐破碎，力-位移曲线也随之出现波折。

波折现象的产生原因：1）多裂纹扩展与交汇：由于裂纹的扩展速度和方向不同，因此会产生不同的应力集中区域，从而导致力-位移曲线出现波折；2）碎片间的相互作用：当空心球被压溃成多个碎片时，这些碎片之间会相互挤压和摩擦。这种相互作用会导致力-位移曲线在下降过程中产生波动；3）材料内部的不均匀性：空心球颗粒的内部可能存在不均匀性，如气孔、夹杂物等。这些不均匀性在受到外力作用时会导致应力集中和局部破坏，从而进一步加剧力-位移曲线的波折现象。这种波折形态不仅反映了颗粒内部的微观结构特征，还揭示了其在受到外力作用时的力学响应机制。

四、小结

本文通过对比稀土氧化物空心球和粉煤灰空心球的力-位移曲线和抗压强度数据，可以评估这两种材料的力学性能。所测试的2款稀土氧化物空心球和2款粉煤灰空心球曲线的一致性都比较好，稀土氧化物空心球整体的压溃力和抗压强度水平较高一些。

此外，力-位移曲线的波折形态也为我们提供了关于材料内部结构和力学响应机制的宝贵信息。通过分析这些波折特征，我们可以更深入地了解材料的破坏机制和失效模式，从而为其在实际应用中的性能优化和改进提供理论依据。

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