沖擊載荷下增韌陶瓷材料的增強增韌機理與表征

本項目以氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）為研究對象，采用實驗、理論分析和數(shù)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(fā)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）對熱壓燒結法制備的三種陶瓷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陶瓷的致密性得到提高。三種陶瓷試件的破壞呈現(xiàn)小變形到脆性破壞的特點，壓縮加載下應力-應變曲線近似為線性關系。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%?；趶秃喜牧霞氂^力學理論并考慮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）采用改進的SHPB實驗裝置對ZTA陶瓷的動力學響應和破壞特性進行了研究。獲得了ZTA陶瓷在較高應變率范圍內(nèi)的動態(tài)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(tài)抗壓強度隨應變率增加而提高，同時應力應變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征；單軸加載下，隨著應變率的提高，ZTA陶瓷的破壞呈現(xiàn)出了從劈裂破壞到散體破壞的狀態(tài)。 3）利用先進的聲發(fā)射系統(tǒng)研究了強脆性陶瓷材料壓縮破壞的損傷變化過程，將采集到的聲發(fā)射信號進行小波分解分析了聲發(fā)射信號的頻率特征。結果表明，加載初期，材料損傷主要由微裂紋成核為主導，產(chǎn)生大量低幅值(<40dB)信號；而加載后期的高幅值信號(>80 dB)主要由微裂紋擴展或匯合產(chǎn)生。脆性材料失穩(wěn)破壞階段信號能量特征值呈現(xiàn)出低頻段P1急劇升高、高頻段P2急劇下降的特點，即失穩(wěn)破壞時產(chǎn)生低頻信號。結合裂紋源的尺度與聲發(fā)射信號頻率成相反的關系，揭示了尺度較大的微裂紋擴展或匯合是導致材料失穩(wěn)破壞的主要機制。 4）采用有限元程序數(shù)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(shù)；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。

陶瓷基復合材料的研制與應用將是復合裝甲材料的總趨勢，開展增韌陶瓷材料的動力學響應、破壞特性、動態(tài)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(nèi)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(tài)、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(shù)，得到材料在較寬應變率范圍內(nèi)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、動力學響應和破壞特性。（2）利用聲發(fā)射技術、掃描電鏡等對實驗后的試件進行測試，分析試件內(nèi)部微觀結構的破壞特征和增韌機制。（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(tài)本構模型。（4）利用自行開發(fā)的多物質(zhì)流體程序對增韌陶瓷材料抗侵徹問題進行數(shù)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(jù)和技術支撐。

一、氧化鋯增韌

對氧化鋁陶瓷的增韌是使用最多的增韌方法是ZrO2（VK-R30）增韌。當氧化鋁中加入純Zr0（VK-R30），粒子形成ZrO2增韌氧化鋁陶瓷時，當添加含量適當時，可使韌性顯著提高。其韌化效果主要來源于以下機理：1.使氧化鋁晶?；w細化。2. 氧化鋯相變韌化。3.顯微裂紋韌化。4. 裂紋轉向與分叉。

商用高純氧化鋁陶瓷與ZrO2（VK-R30）增韌氧化鋁陶瓷力學性能對比

99%氧化鋁陶瓷 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷

密度 3.85 3.93

抗折強度 350MPa 480MPa

抗壓強度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗沖擊強度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶須、纖維增韌

晶須是具有一定長徑比(直徑0.1—1.8 um，長35-l50um)，且缺陷少的陶瓷單晶。具有很高的強度，是一種非常好的陶瓷基復合材料的增韌增強體；纖維長度較陶瓷晶須長數(shù)倍，也是一種很好的陶瓷增韌體，同時兩者可復合實用。用SiC、Si3N4等晶須或C、SiC等長纖維對氧化鋁陶瓷進行復合增韌。晶須或纖維的加入可以增加斷裂表面，即增加了裂紋的擴展通道。當裂紋擴展的剩余能量滲入到纖維(晶須)，發(fā)生纖維(晶須)的拔出、脫粘和斷裂時，導致斷裂能被消耗或裂紋擴展方向發(fā)生偏轉等，從而使復合材料韌性得到提高。但當晶須、纖維含量較高時，由于其拱橋效應而使致密化變得困難，從而引起密度的下降和性能下降。

三、顆粒增韌

在氧化鋁材料中加入一定粒度的具有高彈性模量的顆粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料斷裂時促使裂紋發(fā)生偏轉和分叉，消耗斷裂能，從而提高韌性。盡管顆粒增韌效果不如晶須、纖維，但用顆粒作為增韌劑制作顆粒增韌陶瓷基復合材料，其原料混合均勻化及燒結致密化都比纖維、品須復合材料簡便易行。納米顆粒復相陶瓷是在陶瓷基體中引入納米級的第二相增強粒子，通常小于0.3um，可使材料的室溫和高溫性能大幅度提高，特別是強度值，上升幅度更大。

四、 氧化鋁自增韌

采用納米級的氧化鋁粉末制備的陶瓷不加增塑劑仍舊在低溫下顯出極好的超塑性。納米原料對改善陶瓷晶粒的形狀、品界特性等起到了很好的效果。通過合理選擇成分及工藝，使一部分氧化鋁晶粒在燒結中原位發(fā)育成具有較高長徑比的柱狀晶粒，從而獲得晶須的一種增韌機制。這也稱為原位增韌，這種技術消除了基體相與增強相界面的不相容性，保證了基體相與增強。

相的熱力學穩(wěn)定，并使界面干凈，結合良好。

另外，控制顯微結構；改變晶粒形狀、粒徑、品界特性、氣孔率等提高其斷裂韌性；使用亞微細且各向分布均勻氧化鋁；提高氧化鋁粉純度，改善組織結構。這些都是增加氧化鋁陶瓷韌性的有效手段。

市場上最常見的幾種增韌母料有：

（1）丁苯橡膠（SBS）：與PS，PP，PE，ABS，PBT等塑料都有良好的相容性。

（2）POE和EVA：在增韌效果上具有一定的相互替代性，在PP、PE的一般增韌應用中很多廠家主要考慮成本因素來選用。在PP的增韌效果上一般POE要略優(yōu)于EVA。POE和EVA的某些不同特性適合產(chǎn)品除增韌外其他特殊的性能要求。在薄膜應用中，EVA具有較好的阻隔性，而POE一般沒有；EVA可以提高PP的印染效果，但會降低耐老化性，而POE具有良好的耐老化性和優(yōu)異的耐熱性和耐寒性；POE的單位密度較小，體積價格低廉。

（3）高膠粉：化學結構 苯乙烯、丙烯晴－丁二烯橡膠，核殼型聚合物。

增剛增韌母料中的ST11主要用于HDPE水管、波紋管、吹塑托盤、中空容器、塑料周轉箱等塑料制品（用量30-50%）?？商岣咧破窙_擊強度2~3倍，剛度提高~30%，降低塑料制品生產(chǎn)成本。