双重增韧陶瓷：优化支持的多尺度计算设计

为了克服陶瓷的脆性限制，人们提出了各种增韧机制。其中一些最显著的机制，特别是对于氧化物，包括导致氧化锆中裂纹屏蔽的四方相到单斜相相变，以及促进裂纹偏转的仿生砖泥微结构。然而，将这两种机制结合到单一全陶瓷材料中已被证明具有挑战性。在这项工作中，我们提出了一种计算方法来设计结合这两种增韧策略的材料，采用多尺度建模方法捕捉它们各自的贡献和整体断裂性能。这是通过开发一种具有砖泥微结构的全陶瓷复合材料实现的，其中纳米晶砂浆是相变增韧的。分析了影响相变的关键因素，如晶界性质、晶粒取向和动力学系数，并将由此产生的相变应力-应变行为纳入微尺度砂浆本构模型。我们证明了两种增韧机制的协同效应是可以实现的，并且这是一种极有效的提升断裂性能的策略。然后系统研究了砖块尺寸、砂浆厚度以及组成材料性质的影响。最后，采用无梯度优化算法来确定最优的几何和材料参数，揭示出更长、更薄的砖块和最小的砂浆厚度能提供最佳的断裂抗力。针对给定的砖块尺寸和砂浆厚度，确定了材料性质的最优组合。