《衝擊載荷下增韌陶瓷材料的增強增韌機理與表征》是依託北京理工大學，由任會蘭擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：衝擊載荷下增韌陶瓷材料的增強增韌機理與表征
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：任會蘭
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
陶瓷基複合材料的研製與套用將是複合裝甲材料的總趨勢，開展增韌陶瓷材料的動力學回響、破壞特性、動態本構模型、失效特性的研究都是分析增韌陶瓷裝甲抗侵徹性能的關鍵因素。研究內容有：（1）利用材料實驗機、分離式霍普金森壓桿和輕氣炮實驗裝置對增韌陶瓷試件實施準靜態、低、高應變率下的壓縮實驗，測量材料壓縮強度、屈服強度等材料性能參數，得到材料在較寬應變率範圍內完整的應力應變曲線，進一步分析增韌陶瓷材料的應變率效應、動力學回響和破壞特性。（2）利用聲發射技術、掃描電鏡等對實驗後的試件進行測試，分析試件內部微觀結構的破壞特徵和增韌機制。（3）考慮應變率、損傷的影響，建立能準確描述增韌陶瓷材料的動力學行為的動態本構模型。（4）利用自行開發的多物質流體程式對增韌陶瓷材料抗侵徹問題進行數值模擬，來驗證和完善理論模型；為提高增韌陶瓷材料的抗侵徹能力，為新型陶瓷裝甲的設計提供理論依據和技術支撐。
結題摘要
本項目以氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）為研究對象，採用實驗、理論分析和數值模擬相結合的方法研究了增韌陶瓷的破壞特性、本構模型、增韌機理、聲發射特性和增韌陶瓷的抗侵徹特性。主要研究工作和成果如下： （1）對熱壓燒結法製備的三種陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力學性能和增韌機制進行了實驗和理論研究。結果表明，ZrO2的加入細化了基體Al2O3晶粒，ZrO2/Al2O3陶瓷的緻密性得到提高。三種陶瓷試件的破壞呈現小變形到脆性破壞的特點，壓縮載入下應力-應變曲線近似為線性關係。AD995陶瓷的斷裂韌性為5.65MPa•m1/2，25% ZrO2/Al2O3陶瓷的斷裂韌性為8.42MPa•m1/2，提高了近50%。基於複合材料細觀力學理論並考慮ZrO2的相變特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力學性能的本構模型。模型預測結果顯示，隨ZrO2增韌相含量的增加，ZrO2/Al2O3陶瓷的楊氏模量降低而斷裂韌性增加，這一變化趨勢與實驗結果有良好的一致性。 （2）採用改進的SHPB實驗裝置對ZTA陶瓷的動力學回響和破壞特性進行了研究。獲得了ZTA陶瓷在較高應變率範圍內的動態應力應變曲線；結果顯示，ZTA陶瓷動力學特性有明顯的應變率效應，動態抗壓強度隨應變率增加而提高，同時應力應變曲線呈現明顯的非線性特徵；單軸載入下，隨著應變率的提高，ZTA陶瓷的破壞呈現出了從劈裂破壞到散體破壞的狀態。 （3）利用先進的聲發射系統研究了強脆性陶瓷材料壓縮破壞的損傷變化過程，將採集到的聲發射信號進行小波分解分析了聲發射信號的頻率特徵。結果表明，載入初期，材料損傷主要由微裂紋成核為主導，產生大量低幅值(<40dB)信號；而載入後期的高幅值信號(>80 dB)主要由微裂紋擴展或匯合產生。脆性材料失穩破壞階段信號能量特徵值呈現出低頻段P1急劇升高、高頻段P2急劇下降的特點，即失穩破壞時產生低頻信號。結合裂紋源的尺度與聲發射信號頻率成相反的關係，揭示了尺度較大的微裂紋擴展或匯合是導致材料失穩破壞的主要機制。 （4）採用有限元程式數值模擬了長桿彈侵徹氧化鋁陶瓷靶的破壞特性，結合實驗結果確定了氧化鋁陶瓷本構模型中的材料參數；建立聚能射流侵徹氧化鋁陶瓷靶的計算模型，對射流的形成機理及氧化鋁陶瓷靶的抗侵徹性能進行研究。
