冲击载荷下增韧陶瓷材料的增强增韧机理与表征

陶瓷基复合材料的研制与应用将是复合装甲材料的总趋势，开展增韧陶瓷材料的动力学响应、破坏特性、动态本构模型、失效特性的研究都是分析增韧陶瓷装甲抗侵彻性能的关键因素。研究内容有：（1）利用材料实验机、分离式霍普金森压杆和轻气炮实验装置对增韧陶瓷试件实施准静态、低、高应变率下的压缩实验，测量材料压缩强度、屈服强度等材料性能参数，得到材料在较宽应变率范围内完整的应力应变曲线，进一步分析增韧陶瓷材料的应变率效应、动力学响应和破坏特性。（2）利用声发射技术、扫描电镜等对实验后的试件进行测试，分析试件内部微观结构的破坏特征和增韧机制。（3）考虑应变率、损伤的影响，建立能准确描述增韧陶瓷材料的动力学行为的动态本构模型。（4）利用自行开发的多物质流体程序对增韧陶瓷材料抗侵彻问题进行数值模拟，来验证和完善理论模型；为提高增韧陶瓷材料的抗侵彻能力，为新型陶瓷装甲的设计提供理论依据和技术支撑。

本项目以氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）为研究对象，采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法研究了增韧陶瓷的破坏特性、本构模型、增韧机理、声发射特性和增韧陶瓷的抗侵彻特性。主要研究工作和成果如下：.1）对热压烧结法制备的三种陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。结果表明，ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒，ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高。三种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点，压缩加载下应力-应变曲线近似为线性关系。AD995陶瓷的断裂韧性为5.65MPa•m1/2，25% ZrO2/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42MPa•m1/2，提高了近50%。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。模型预测结果显示，随ZrO2增韧相含量的增加，ZrO2/Al2O3陶瓷的杨氏模量降低而断裂韧性增加，这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。.2）采用改进的SHPB实验装置对ZTA陶瓷的动力学响应和破坏特性进行了研究。获得了ZTA陶瓷在较高应变率范围内的动态应力应变曲线；结果显示，ZTA陶瓷动力学特性有明显的应变率效应，动态抗压强度随应变率增加而提高，同时应力应变曲线呈现明显的非线性特征；单轴加载下，随着应变率的提高，ZTA陶瓷的破坏呈现出了从劈裂破坏到散体破坏的状态。.3）利用先进的声发射系统研究了强脆性陶瓷材料压缩破坏的损伤变化过程，将采集到的声发射信号进行小波分解分析了声发射信号的频率特征。结果表明，加载初期，材料损伤主要由微裂纹成核为主导，产生大量低幅值(<40dB)信号；而加载后期的高幅值信号(>80 dB)主要由微裂纹扩展或汇合产生。脆性材料失稳破坏阶段信号能量特征值呈现出低频段P1急剧升高、高频段P2急剧下降的特点，即失稳破坏时产生低频信号。结合裂纹源的尺度与声发射信号频率成相反的关系，揭示了尺度较大的微裂纹扩展或汇合是导致材料失稳破坏的主要机制。.4）采用有限元程序数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性，结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数；建立聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型，对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究。