新型纤维陶瓷复合结构抗高速侵彻破坏机理与优化配置研究

The high-velocity earth penetration weapons present a serious threat to the key state projects, the new high-performing composite and its structure with optimization of configuration to resist penetration is a hot spot and difficulty in protective engineering. Fiber ceramic composite(FC) is the powerful combination of high ductility fibers and brittle ceramics of high hardness, the anti-penetration ability, failure mechanism and configuration method of the composite structure need to be investigated urgently. Theoretical analyses, numerical simulations and model experiments will be conducted to study on the failure mechanism and the optimization of configuration of fiber-ceramic structure under high-velocity penetration in this project. Taking account of the porosity and high strain-rate effects, the constitutive model including plastic flow, consolidation and brittle fracture of ceramic materials under intensively dynamic loads will be established, and the key parameters will be obtained by tests. By analyzing the local deformation behaviors of the near region, energy partitioning and consuming pattern, resistance characteristics, propagation of fracture and damage patterns obtained in high-velocity penetration tests or numerical simulations, the influence mechanism of fiber layers and failure mechanism of FC structure will be revealed. The effect of fiber layer, ceramic layer and back plate on anti-penetration performance will be studied to deduce the optimization method of configuration of FC structure, and the parameters of protective performance will be given. The accomplishment of the research could supply scientific and technical basis to the application of FC in the major protective engineering.

高速钻地武器对国家重大工程构成严重威胁，研究抗侵彻高性能新型复合材料及合理匹配的结构已成为防护工程界的热点与难点，纤维陶瓷是高韧性纤维材料与高硬度脆性陶瓷的"强强结合"，其抗侵彻能力、破坏机理和配置方法是亟需解决的基础性课题。本项目拟采用理论分析、数值模拟和模型试验手段，开展纤维陶瓷复合结构的高速侵彻破坏机理以及优化配置方法研究。综合考虑陶瓷材料多孔特性和应变率效应，建立强动载下陶瓷塑性流动、压密和脆性断裂的宏观本构模型，并结合试验确定关键参数；基于高速侵彻试验和数值方法，分析近区变形特征、能量分配与耗散机制、阻抗规律、结构破坏过程中裂纹演化规律与破坏模式，理清纤维层的作用机制，揭示纤维陶瓷复合结构的破坏机理；通过分析纤维层、陶瓷与背板等要素配置对抗侵彻能力的影响规律，给出纤维陶瓷复合结构的优化配置方法和优化后的高抗侵彻性能。研究成果将为纤维陶瓷复合材料在重大工程防护中的应用提供科学依据。

高速钻地武器对国家重大工程构成严重威胁，研究高抗侵彻能力的新型复合材料及合理匹配的结构已成为防护工程界的热点与难点，纤维陶瓷是高韧性纤维材料与高硬度脆性陶瓷的“强强结合”，其抗侵彻能力、破坏机理和复合配置方法是亟需解决的基础性课题。项目通过材料动态性能试验、系列复合结构侵彻试验、理论分析以及数值模拟等方法，着重研究了纤维陶瓷复合结构的抗大口径弹体侵彻防护性能、复合结构破坏机理以及优化配置方法，为该复合材料在超高抗力防护工程中的应用提供重要参考。.（1）开展了0.5~2.5km/s飞片平面撞击氧化铝陶瓷试样实验，得到材料的冲击绝热曲线、弹性Hugoniot极限和屈服极限等动态力学性能。结合球形弹体高速撞击陶瓷靶的试验，对比数值模拟和试验结果的吻合性，验证陶瓷材料模型关键参数的有效性。（2）开展了典型配置纤维陶瓷复合遮弹板的侵彻试验，弹体着靶速度380~900m/s，获取了复合靶体的宏观破坏形态和弹体侵彻深度，以及弹体的头部钝化与质量损失等试验参数，分析了复合结构抗侵彻性能的内在机制。结果显示陶瓷材料具有高阻抗特性，且对弹头磨蚀、弹体破坏作用能显著降低侵彻效率，等效对比推导给出了纤维陶瓷复合遮弹板的防护能力C40钢筋混凝土的7.28倍。（3）基于侵彻试验数据，分析了高速侵彻条件下典型配置纤维陶瓷复合结构的破坏模式、弹头钝化与质量损失等对侵彻效应的影响机制，弄清了纤维陶瓷的复合结构的破坏机理问题。（4）利用数值模拟进行纤维陶瓷复合结构的优化配置研究，分析了不同配置方案对陶瓷装甲-RPC复合结构抗半穿甲弹侵彻破坏与防护性能的影响规律，表明面板、纤维陶瓷层与背板等组合方式配置对抗侵彻能力的影响较大，给出了纤维陶瓷复合结构的优化配置方法。（5）通过验证性侵彻试验，分析给出优化配置后的纤维陶瓷复合结构的抗侵彻性能指标，并与C40钢筋混凝土进行对比反映出其优异的防护性能。