高強輕集料混凝土的脆性特征與增韌技術(shù)研究

通過研究高強輕集料混凝土的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系以及在應力作用下的變形和破壞規(guī)律，闡明其脆性特征。采用纖維增強和聚合物改性等方法制備高韌性高強輕集料混凝土，并研究它的破壞準則和本構(gòu)模型，揭示其韌性增強的機理，提出改善其脆性的技術(shù)途徑和方法。使該種材料安全、經(jīng)濟、技術(shù)合理地用于結(jié)構(gòu)工程，具有重要的社會與經(jīng)濟意義。 2100433B

通過計算機模擬和材料試驗相結(jié)合，研究碳----玻璃混雜纖維增韌高強混凝土的復合機理和機敏特性，建立該新型復合材料增韌的力學模型，探討纖維參數(shù)、材料組份和顯微結(jié)構(gòu)對電導性能和熱電效應的影響以及構(gòu)件承載過程中電導率與材料內(nèi)部應變、溫度、損傷等變量的關(guān)系，為混凝土智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計、健康監(jiān)測和壽命評估提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。 2100433B

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(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(jié)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(jié)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(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(gòu)模型。模型預測結(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，這一變化趨勢與實驗結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合裂紋源的尺度與聲發(fā)射信號頻率成相反的關(guān)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(jié)合實驗結(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(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(shù)、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(jié)構(gòu)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(gòu)模型。（4）利用自行開發(fā)的多物質(zhì)流體程序?qū)υ鲰g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(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。