高性能硼化物陶瓷在强动载荷作用下的失效行为与机制分析

Exhibiting high desirable features such as high hardness, low density, good workability, high-performance boride ceramic can be applied as a new generation bulletproof ceramic that becoming research hotspot. However, in the previous research, the researchers focus on simulating destructive behavior of material in macroscopic scale using phenomenological damage mechanics and finite element method, ignoring the microstructural variation on meso-level in impact loading of material that resulted in failure behaviors. Therefore, the research about material structural evolution and mechanical response behavior of high-performance boride ceramic under high speed and strong impact loading condition was not clear yet. In this work, on the one hand, we investigate the crystal structure evolution of titanium diboride and boron carbide composite ceramic on meso-level under strong impact loading condition. Also we study damage rules of titanium diboride and boron carbide and the relationship of each other; on the other hand, we simulate crystal structure evolution and bond valence of titanium diboride and boron carbide composite ceramic using crystal phase field theory of Density Functional Theory combined numerical simulation. Ultimately, this research reveals the relationship between the structure evolution and failure behaviors and provides foundation of structure design of high-performance boride ceramic.

高性能硼化物陶瓷作为新一代抗弹陶瓷具有高硬度、低密度、可加工等优异特性，是当前抗弹陶瓷研究的热点。但是，目前研究工作主要采用唯象损伤力学和有限元方法模拟材料宏观层面的破坏行为，忽略了材料在冲击加载过程中细观层次的微结构的变化，因此，高性能硼化物陶瓷在高速、强冲击加载条件下的材料结构演变和力学响应行为的尚不清楚，导致对材料的失效行为难以解释清楚。本项目拟以实验为主，重点研究细观层次下对TiB2和B4C的复相陶瓷材料在强动载荷和高能量密度冲击下的陶瓷晶体结构的演变，弄清TiB2和B4C陶瓷各自的损伤规律，以及TiB2和B4C陶瓷损伤的相互联系；其次，结合数值模拟，利用基于密度泛函数的晶体相场理论模拟研究TiB2和B4C陶瓷晶体结构和键价的变化，揭示陶瓷结构变化与材料失效行为间的关系，为高性能硼化物陶瓷的结构设计提供基础支撑。

高性能碳化硼（B4C）陶瓷凭借其高强度、高硬度、抗高温、低密度等优良特性已成为一种常用的轻质装甲防护材料，在国防建设领域中有着重大需求。但是，目前研究工作主要采用唯象损伤力学和有限元方法模拟材料宏观层面的破坏行为，忽略了材料在冲击加载过程中细观层次的微结构的变化，因此，高性能硼化物陶瓷在高速、强冲击加载条件下的材料结构演变和力学响应行为的尚不清楚，导致对材料的失效行为难以解释清楚。.本项目以武器装备面临超高速侵彻为背景，力求解决超高速侵彻过程B4C陶瓷材料快速失效的问题，重点开展了：.（1）B4C基抗弹陶瓷的制备技术研究以及B4C基抗弹陶瓷在超高速侵彻作用下材料的失效行为研究；.（2）研究了高性能B4C基抗弹陶瓷在高速、大过载加载作用下的材料响应行为，包括实验和模拟研究揭示了材料抗弹性能随着冲击速度的变化和材料微观损伤特征的变化，为材料体系的优化提供了理论基础；.（3）采用基于密度泛函的动力学结构弛豫，研究了B4C陶瓷晶体在不同加载条件下晶体中原子弛豫、共价键能量、材料的弹性与塑性形变及其完全失效碎裂过程，从空间原子尺度上对B4C陶瓷晶体的宏观结构失效机理进行描述，通过共价键断裂、晶体结构失稳过程分析了晶体的失效行为；.（4）突破低密度、高本征防护系数的B4C基抗弹陶瓷的组成优化与制备技术；研制出高性能的B4C基抗弹陶瓷，达到了密度、硬度、等效质量防护系数等指标；已在超高速侵彻方面进行验证（部分），达到了减重等实效；.相关研究工作发表学术论文10篇，完成了项目全部技术指标。