沖擊載荷下增韌陶瓷材料的增強(qiáng)增韌機(jī)理與表征結(jié)題摘要

本項(xiàng)目以氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了增韌陶瓷的破壞特性、本構(gòu)模型、增韌機(jī)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(duì)熱壓燒結(jié)法制備的三種陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力學(xué)性能和增韌機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。結(jié)果表明，ZrO2的加入細(xì)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(diǎn)，壓縮加載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為線性關(guān)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?fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論并考慮ZrO2的相變特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力學(xué)性能的本構(gòu)模型。模型預(yù)測(cè)結(jié)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(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。 2）采用改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)ZTA陶瓷的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和破壞特性進(jìn)行了研究。獲得了ZTA陶瓷在較高應(yīng)變率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線；結(jié)果顯示，ZTA陶瓷動(dòng)力學(xué)特性有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而提高，同時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征；單軸加載下，隨著應(yīng)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(jìn)的聲發(fā)射系統(tǒng)研究了強(qiáng)脆性陶瓷材料壓縮破壞的損傷變化過(guò)程，將采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分解分析了聲發(fā)射信號(hào)的頻率特征。結(jié)果表明，加載初期，材料損傷主要由微裂紋成核為主導(dǎo)，產(chǎn)生大量低幅值(<40dB)信號(hào)；而加載后期的高幅值信號(hào)(>80 dB)主要由微裂紋擴(kuò)展或匯合產(chǎn)生。脆性材料失穩(wěn)破壞階段信號(hào)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(diǎn)，即失穩(wěn)破壞時(shí)產(chǎn)生低頻信號(hào)。結(jié)合裂紋源的尺度與聲發(fā)射信號(hào)頻率成相反的關(guān)系，揭示了尺度較大的微裂紋擴(kuò)展或匯合是導(dǎo)致材料失穩(wěn)破壞的主要機(jī)制。 4）采用有限元程序數(shù)值模擬了長(zhǎng)桿彈侵徹氧化鋁陶瓷靶的破壞特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了氧化鋁陶瓷本構(gòu)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(jì)算模型，對(duì)射流的形成機(jī)理及氧化鋁陶瓷靶的抗侵徹性能進(jìn)行研究。

陶瓷基復(fù)合材料的研制與應(yīng)用將是復(fù)合裝甲材料的總趨勢(shì)，開(kāi)展增韌陶瓷材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、破壞特性、動(dòng)態(tài)本構(gòu)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(guān)鍵因素。研究?jī)?nèi)容有：（1）利用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、分離式霍普金森壓桿和輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)增韌陶瓷試件實(shí)施準(zhǔn)靜態(tài)、低、高應(yīng)變率下的壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)量材料壓縮強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等材料性能參數(shù)，得到材料在較寬應(yīng)變率范圍內(nèi)完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線，進(jìn)一步分析增韌陶瓷材料的應(yīng)變率效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和破壞特性。（2）利用聲發(fā)射技術(shù)、掃描電鏡等對(duì)實(shí)驗(yàn)后的試件進(jìn)行測(cè)試，分析試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破壞特征和增韌機(jī)制。（3）考慮應(yīng)變率、損傷的影響，建立能準(zhǔn)確描述增韌陶瓷材料的動(dòng)力學(xué)行為的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。（4）利用自行開(kāi)發(fā)的多物質(zhì)流體程序?qū)υ鲰g陶瓷材料抗侵徹問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)驗(yàn)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(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

一、氧化鋯增韌

對(duì)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(dāng)氧化鋁中加入純Zr0（VK-R30），粒子形成ZrO2增韌氧化鋁陶瓷時(shí)，當(dāng)添加含量適當(dāng)時(shí)，可使韌性顯著提高。其韌化效果主要來(lái)源于以下機(jī)理：1.使氧化鋁晶?；w細(xì)化。2. 氧化鋯相變韌化。3.顯微裂紋韌化。4. 裂紋轉(zhuǎn)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(xué)性能對(duì)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(qiáng)度 350MPa 480MPa

抗壓強(qiáng)度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗沖擊強(qiáng)度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶須、纖維增韌

晶須是具有一定長(zhǎng)徑比(直徑0.1—1.8 um，長(zhǎng)35-l50um)，且缺陷少的陶瓷單晶。具有很高的強(qiáng)度，是一種非常好的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體；纖維長(zhǎng)度較陶瓷晶須長(zhǎng)數(shù)倍，也是一種很好的陶瓷增韌體，同時(shí)兩者可復(fù)合實(shí)用。用SiC、Si3N4等晶須或C、SiC等長(zhǎng)纖維對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行復(fù)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(kuò)展通道。當(dāng)裂紋擴(kuò)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(shí)，導(dǎo)致斷裂能被消耗或裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)等，從而使復(fù)合材料韌性得到提高。但當(dāng)晶須、纖維含量較高時(shí)，由于其拱橋效應(yīng)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(shí)促使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)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(fù)合材料，其原料混合均勻化及燒結(jié)致密化都比纖維、品須復(fù)合材料簡(jiǎn)便易行。納米顆粒復(fù)相陶瓷是在陶瓷基體中引入納米級(jí)的第二相增強(qiáng)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(qiáng)度值，上升幅度更大。

四、 氧化鋁自增韌

采用納米級(jí)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(duì)改善陶瓷晶粒的形狀、品界特性等起到了很好的效果。通過(guò)合理選擇成分及工藝，使一部分氧化鋁晶粒在燒結(jié)中原位發(fā)育成具有較高長(zhǎng)徑比的柱狀晶粒，從而獲得晶須的一種增韌機(jī)制。這也稱為原位增韌，這種技術(shù)消除了基體相與增強(qiáng)相界面的不相容性，保證了基體相與增強(qiáng)。

相的熱力學(xué)穩(wěn)定，并使界面干凈，結(jié)合良好。

另外，控制顯微結(jié)構(gòu)；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(xì)且各向分布均勻氧化鋁；提高氧化鋁粉純度，改善組織結(jié)構(gòu)。這些都是增加氧化鋁陶瓷韌性的有效手段。

市場(chǎng)上最常見(jiàn)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(yīng)用中很多廠家主要考慮成本因素來(lái)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(yīng)用中，EVA具有較好的阻隔性，而POE一般沒(méi)有；EVA可以提高PP的印染效果，但會(huì)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(jià)格低廉。

（3）高膠粉：化學(xué)結(jié)構(gòu) 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(pán)、中空容器、塑料周轉(zhuǎn)箱等塑料制品（用量30-50%）?？商岣咧破窙_擊強(qiáng)度2~3倍，剛度提高~30%，降低塑料制品生產(chǎn)成本。