层状复合材料Ti/Al3Ti界面动态损伤演化行为及其防护能力研究

The metal-intermetallic laminate composite (MIL) Ti/Al3Ti can be used as protective armor in aerospace and military fields due to its low density, high strength and superior impact resistant performance. This project mainly studies the interface bonding strength of the composite and the relationship between laminate structure and protective ability , aiming at addressing the basic scientific problems of MIL composite Ti/Al3Ti under impact load，such as damage evolution behavior, composite failure analysis and protective capacity prediction. This project focuses on: (1) Experimentally exploring the interface mechanical behavior under the stress wave dynamic loading, and establishing the damage constitutive relation of the interface elements used to simulate layer delamination; (2) Investigating numerical model of the projectile penetrating the composite based on the consideration of interface damage; (3) Experimentally and numerically analyzing the failure mode on intensive dynamic loading, and studying the influence of laminate structure on protective performance in view of energy, to break through the limitation of qualitative description via ballistic impact test. The objective of this proposal is to reveal the effect of laminate structure on the material failure process and protective ability, and provide a theoretical foundation for its development and further application in protective field.

新型金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti由于具有低密度、高强度及良好的耐冲击性，是优异的空天、武器装备轻质装甲防护材料。本项目针对冲击载荷下Ti/Al3Ti的界面损伤演化行为、失效形式和防护能力预测等涉及的基础科学问题，主要研究层状材料界面强度、层状结构与防护能力之间的关系。内容包括：利用应力波加载技术研究材料界面在动态加载条件下的力学行为，建立用于模拟材料层间分层的界面单元损伤本构关系；在考虑界面损伤的基础上，研究弹体冲击层状复合材料过程的数值建模及其初始与边界条件；采用弹道冲击实验和数值模拟相结合方法，研究复合材料在强动载下的破坏模式，从能量角度分析计算层状结构（包括层数、Ti的体积分数等）对材料防护性能的作用规律，突破现有研究仅采用实验定性描述的技术局限。本项目旨在揭示层状结构对于材料失效过程和防护能力的影响，为其在装甲防护领域的应用和高性能层状复合材料的研制奠定理论基础。

轻质、高强金属间化合物基层状复合材料Ti/Al3Ti在空天及地面武器装备领域有着广阔的应用前景，界面作为层状复合材料的重要组成部分，对材料损伤演化及防护性能具有重要影响。本项目以Ti/Al3Ti层状复合材料界面为主要研究对象，对界面物理和力学性能进行表征，并建立了界面的数值模型，揭示了在不同载荷下界面对于裂纹扩展过程的影响。在此基础上，研究了Ti/Al3Ti层状复合材料在高速冲击载荷作用下的失效形式，构建了其防护性能预测模型。主要研究内容包括：设计了拉压小试样，使能够通过传统Hopkinson压杆技术直接测试界面动态拉伸性能，得到了在动态拉伸载荷下界面的结合强度和失效形式，基于传统应力失效准则建立了可用于有限元仿真的界面数值模型，弥补了原有Ti/Al3Ti层状复合材料模型忽略界面而带来的计算误差；采用显微硬度压痕实验、三点弯曲实验得到了界面对于材料中裂纹扩展行为的影响，提出了裂纹钝化、裂纹前缘卷曲等层状复合材料增韧机制；采用弹道冲击实验研究了Ti/Al3Ti在高速冲击载荷下的失效形式和防护能力，根据实验建立了相应的有限元模型和有限元-光滑流体动力学混合模型，在提高计算精度的同时保证了模型的计算效率；建立了材料参数化有限元模型，能够快速对Ti体积分数、层厚度等参数进行修改，实现了对不同结构Ti/Al3Ti层状复合材料损伤演化行为和防护能力的预测。目前，相关成果在《Materials Science & Engineering A》《Defence Technology》《兵器材料科学与工程》等国内外期刊上发表（在线）并标注本项目资助论文10篇，其中SCI收录9篇。此外有3篇投稿至SCI期刊《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》《Advanced composites Letters》，目前已录用。项目执行期间，出版《层状复合材料损伤建模理论与检测技术》专著1部，获得河南省科技进步二等奖1项。项目研究成果对缩短层状复合材料研发周期、降低成本具有重要意义。