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一、背景 

隨著科技的不斷發(fā)展，材料科學(xué)領(lǐng)域的研究日益深入。其中，空心球材料因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。空心球材料的力學(xué)特性與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)。元能科技IEST的SPFT（單顆粒力學(xué)性能測(cè)試）設(shè)備，可以深入了解空心球材料在被壓縮時(shí)的力學(xué)響應(yīng)，包括顆粒的壓潰力、脆性特征、內(nèi)部微結(jié)構(gòu)等信息，為材料的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

二、測(cè)試設(shè)備與方法 

SPFT設(shè)備能夠高精度地控制位移和測(cè)量壓力，從而精確采集壓頭加載到單個(gè)顆粒上的壓力-位移曲線。另外，SPFT采用底部光學(xué)系統(tǒng)成像的方式，測(cè)試軟件中可同步記錄顆粒被壓縮、變形、壓潰的整個(gè)畫面。這一設(shè)備特別適用于評(píng)估材料顆粒層級(jí)的耐壓性和壓潰力，對(duì)于理解微米級(jí)空心球在壓縮過程中的行為至關(guān)重要。

圖1.  (左) SPFT設(shè)備；(右) 光學(xué)系統(tǒng)底視圖

本文分別選取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）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化步驟：首先，通過乙醇分散制樣，確保顆粒的均勻分布；然后，利用光學(xué)顯微鏡定位單個(gè)分散顆粒；接著，配置實(shí)驗(yàn)參數(shù)并執(zhí)行壓縮測(cè)試；測(cè)試過程中，觀察并記錄顆粒在壓縮前后的形態(tài)變化。每個(gè)樣品通常測(cè)試5個(gè)以上的顆粒，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和統(tǒng)計(jì)意義。

三、結(jié)果分析 

1、單顆粒壓縮曲線和動(dòng)圖展示

圖2. 兩款不同XT空心球的單顆粒壓縮曲線

圖3. 兩款不同F(xiàn)M空心球的單顆粒壓縮曲線

圖4. XT空心球（左）和FM空心球（右）的單顆粒壓縮過程動(dòng)圖（節(jié)選）

2、壓潰力和抗壓強(qiáng)度對(duì)比

通過結(jié)果可以看出，每個(gè)樣品平行測(cè)試10-15次的曲線一致性都比較好。所測(cè)試的2款XT空心球的單顆粒整體壓潰力都遠(yuǎn)大于另2款FM空心球。由于組成相近、粒徑相近，不同款式的XT空心球/FM空心球-1/-2之間倒是差異不大。

根據(jù)GB/T 43091-2023關(guān)于粉末抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法的國家標(biāo)準(zhǔn)，可通過單顆粒的壓潰力和顆粒粒徑計(jì)算顆粒的抗壓強(qiáng)度，平均值的結(jié)果如表1所示。2款XT空心球的抗壓強(qiáng)度比2款FM空心球約高一倍左右，XT-1比XT-2抗壓強(qiáng)度略大一些。這可能是由于稀土材料本身具有較高的強(qiáng)度和硬度，使得其在受到外力作用時(shí)能夠更好地抵抗形變和破壞。從圖4的動(dòng)圖也可以看出XT空心球破碎時(shí)相對(duì)較硬質(zhì)，而FM空心球顯得相對(duì)松軟。

表1. 不同XT空心球、FM空心球的單顆?？箟簭?qiáng)度

3、力-位移曲線的波浪形特征

在單顆粒壓縮曲線上，還能看到空心球壓潰后特殊的力-位移曲線特征，它們的力-位移曲線在壓潰后均呈現(xiàn)出波折的形態(tài)，類似于波浪形狀。這種波折可能是由于空心球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及壓潰過程中裂紋的擴(kuò)展和交匯所導(dǎo)致的。具體來說，在壓縮初期，隨著壓頭的逐漸下壓，顆粒開始發(fā)生彈性形變。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，顆粒開始出現(xiàn)裂紋并發(fā)生塑性形變。隨著裂紋的擴(kuò)展和交匯，顆粒逐漸破碎，力-位移曲線也隨之出現(xiàn)波折。

波折現(xiàn)象的產(chǎn)生原因：1）多裂紋擴(kuò)展與交匯：由于裂紋的擴(kuò)展速度和方向不同，因此會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力集中區(qū)域，從而導(dǎo)致力-位移曲線出現(xiàn)波折；2）碎片間的相互作用：當(dāng)空心球被壓潰成多個(gè)碎片時(shí)，這些碎片之間會(huì)相互擠壓和摩擦。這種相互作用會(huì)導(dǎo)致力-位移曲線在下降過程中產(chǎn)生波動(dòng)；3）材料內(nèi)部的不均勻性：空心球顆粒的內(nèi)部可能存在不均勻性，如氣孔、夾雜物等。這些不均勻性在受到外力作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和局部破壞，從而進(jìn)一步加劇力-位移曲線的波折現(xiàn)象。這種波折形態(tài)不僅反映了顆粒內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征，還揭示了其在受到外力作用時(shí)的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。

四、小結(jié)

本文通過對(duì)比稀土氧化物空心球和粉煤灰空心球的力-位移曲線和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以評(píng)估這兩種材料的力學(xué)性能。所測(cè)試的2款稀土氧化物空心球和2款粉煤灰空心球曲線的一致性都比較好，稀土氧化物空心球整體的壓潰力和抗壓強(qiáng)度水平較高一些。

此外，力-位移曲線的波折形態(tài)也為我們提供了關(guān)于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)響應(yīng)機(jī)制的寶貴信息。通過分析這些波折特征，我們可以更深入地了解材料的破壞機(jī)制和失效模式，從而為其在實(shí)際應(yīng)用中的性能優(yōu)化和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

關(guān)于元能

元能科技是一家專注于鋰離子電池檢測(cè)儀器研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，致力于為全球新能源領(lǐng)域提供領(lǐng)先的檢測(cè)解決方案與服務(wù)。

元能科技注重前沿技術(shù)研發(fā)，擁有材料、物理、化學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、人工智能等多學(xué)科多專業(yè)交叉的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，圍繞表征方法、設(shè)備技術(shù)、應(yīng)用方案等開展自主研發(fā)，推出多款行業(yè)領(lǐng)先的新型儀器，獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利及實(shí)用新型專利，服務(wù)于全球眾多材料企業(yè)、電芯企業(yè)、終端企業(yè)、科研院所、高校及政府檢測(cè)單位。同時(shí)，元能科技積極推動(dòng)建立行業(yè)上下游規(guī)范統(tǒng)一的檢測(cè)方法，主導(dǎo)或參與制定多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，助力新能源行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展！