14.01.2026
Влияние комплекса морфологических параметров пор на макроскопические механические характеристики и разрушение керамических материалов
Механические свойства конструкционных и функциональных пористых керамических материалов контролируются величиной пористости и геометрическими характеристиками пор. Вследствие широкого разнообразия особенностей морфологии порового пространства до сих пор не установлены общие для различных керамик функциональные зависимости макроскопических механических характеристик, включая жесткость, прочность и вязкость разрушения, от геометрических параметров пор. Существующие обобщения, как правило, применимы к частным случаям ансамблей пор простой формы и одинакового или несущественно различающегося размера.
Научными сотрудниками лаборатории компьютерного конструирования материалов ИФПМ СО РАН с использованием моделирования методом дискретных элементов предложено решение этой фундаментальной проблемы.
На основе анализа литературных данных и результатов компьютерного моделирования определены три категории статистических параметров пор, которые контролируют макроскопические модули упругости и прочность керамических материалов:
1) Категория параметров, характеризующих неоднородность ансамбля пор. Наиболее значимыми представителями данной группы являются наклон функции распределения логарифма максимального размера пор и средний коэффициент формы (несферичности) пор.
2) Категория параметров, характеризующих размеры чередующихся областей твердой и «мягкой» фаз материала. Она включает среднее расстояние между поверхностями соседних пор (толщину стенок каркаса) и среднюю величину эффективного размера пор.
3) Категория интегральных характеристик порового пространства, представленная в настоящем исследовании значением пористости.
Впервые построены единые, применимые к различным керамическим материалам, функциональные зависимости (master curves) макроскопических механических характеристик от безразмерных комбинаций параметров трёх перечисленных категорий. Единые зависимости имеют форму логистических функций (сигмоид) и характеризуются двумя предельными значениями. Максимальные значения макроскопических механических характеристик пористого керамического материала достигаются в предельном случае ансамбля круглых пор одинакового размера, минимальные – в предельном случае ансамбля сильно вытянутых пор с равномерным распределением пор по размерам.
Показано, что направленное изменение комплекса эффективных механических свойств при переходе от первого предельного типа поровой структуры ко второму определяется качественным изменением характера пространственного распределения локальных напряжений в пористом материале от почти однородного к доменному/ячеистому. Такой переход определяет и изменение режима разрушения образцов при сжатии от упруго-хрупкого к квазихрупкому, а также изменение ориентации магистральной трещины.
Полученные функциональные зависимости могут быть использованы при решении задач структурного дизайна перспективных керамических материалов, прогнозировании комплекса их механических свойств, разработке цифровых двойников и обучении нейросетей.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2021-0002.
Результаты исследования опубликованы в журнале Engineering Fracture Mechanics (IF: 5.3; Q1):
Shilko E.V., Grigoriev A.S., Korostelev S.Yu., Volobuev A.S., Andreev K. Effect of geometrical features of pores on the mechanical properties and fracture of ceramic materials // Engineering Fracture Mechanics. – 2026. – Vol. 331. – Article 111732. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.111732
Научными сотрудниками лаборатории компьютерного конструирования материалов ИФПМ СО РАН с использованием моделирования методом дискретных элементов предложено решение этой фундаментальной проблемы.
На основе анализа литературных данных и результатов компьютерного моделирования определены три категории статистических параметров пор, которые контролируют макроскопические модули упругости и прочность керамических материалов:
1) Категория параметров, характеризующих неоднородность ансамбля пор. Наиболее значимыми представителями данной группы являются наклон функции распределения логарифма максимального размера пор и средний коэффициент формы (несферичности) пор.
2) Категория параметров, характеризующих размеры чередующихся областей твердой и «мягкой» фаз материала. Она включает среднее расстояние между поверхностями соседних пор (толщину стенок каркаса) и среднюю величину эффективного размера пор.
3) Категория интегральных характеристик порового пространства, представленная в настоящем исследовании значением пористости.
Впервые построены единые, применимые к различным керамическим материалам, функциональные зависимости (master curves) макроскопических механических характеристик от безразмерных комбинаций параметров трёх перечисленных категорий. Единые зависимости имеют форму логистических функций (сигмоид) и характеризуются двумя предельными значениями. Максимальные значения макроскопических механических характеристик пористого керамического материала достигаются в предельном случае ансамбля круглых пор одинакового размера, минимальные – в предельном случае ансамбля сильно вытянутых пор с равномерным распределением пор по размерам.
Показано, что направленное изменение комплекса эффективных механических свойств при переходе от первого предельного типа поровой структуры ко второму определяется качественным изменением характера пространственного распределения локальных напряжений в пористом материале от почти однородного к доменному/ячеистому. Такой переход определяет и изменение режима разрушения образцов при сжатии от упруго-хрупкого к квазихрупкому, а также изменение ориентации магистральной трещины.
Полученные функциональные зависимости могут быть использованы при решении задач структурного дизайна перспективных керамических материалов, прогнозировании комплекса их механических свойств, разработке цифровых двойников и обучении нейросетей.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2021-0002.
Результаты исследования опубликованы в журнале Engineering Fracture Mechanics (IF: 5.3; Q1):
Shilko E.V., Grigoriev A.S., Korostelev S.Yu., Volobuev A.S., Andreev K. Effect of geometrical features of pores on the mechanical properties and fracture of ceramic materials // Engineering Fracture Mechanics. – 2026. – Vol. 331. – Article 111732. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.111732