沖擊壓縮下氧化鋁陶瓷中的破壞波研究.pdf

1、陶瓷材料以其優(yōu)良的物理力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用在國防建設(shè)和軍事科學(xué)領(lǐng)域，脆性陶瓷材料在強(qiáng)動載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)和破壞行為研究已成為沖擊動力學(xué)界廣泛關(guān)注的課題，尤其是20世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)的在低于Hugoniot彈性極限的沖擊壓縮下玻璃和陶瓷等脆性材料中的破壞波現(xiàn)象，涉及到力學(xué)、材料、物理等多學(xué)科領(lǐng)域，由于受高壓加載實驗條件和高解析波剖面測試技術(shù)等諸多因素的限制，目前對破壞波現(xiàn)象的研究主要集中在對其基本物理力學(xué)特征的實驗認(rèn)識積累上，迄今仍缺乏一

2、個完整的理論模型能夠圓滿解釋破壞波的產(chǎn)生、傳播及其與材料相互作用的物理力學(xué)機(jī)制，并進(jìn)一步數(shù)值模擬其在實驗中表現(xiàn)出來的基本力學(xué)響應(yīng)特性，這是破壞波研究的重點與難點，也是多年來國內(nèi)外學(xué)者對破壞波產(chǎn)生濃厚興趣的主要原因。 本文在分析國內(nèi)外有關(guān)強(qiáng)動載荷下玻璃中破壞波現(xiàn)象和陶瓷材料非彈性變形響應(yīng)的研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，設(shè)計實施了氧化鋁陶瓷平板正碰撞實驗和平板傾斜碰撞實驗，結(jié)合玻璃中的破壞波現(xiàn)象，對玻璃和陶瓷材料中破壞波產(chǎn)生和傳播的物理力學(xué)機(jī)制進(jìn)

3、行了分析，并從材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)非均勻性及其導(dǎo)致的細(xì)觀應(yīng)力分布的高度奇異性出發(fā)，建立了描述破壞波現(xiàn)象的漸進(jìn)破碎模型。論文主要工作和結(jié)論如下： (1)對玻璃材料在沖擊壓縮強(qiáng)度低于Hugoniot彈性極限時的破壞波現(xiàn)象和陶瓷材料在強(qiáng)動載荷下獨特的非彈性變形響應(yīng)的研究成果進(jìn)行了回顧，特別考察了破壞波形成和傳播的物理機(jī)制、力學(xué)參量演化特征與數(shù)學(xué)模型描述。 (2)超聲波實驗測量了氧化鋁陶瓷材料的基本物理力學(xué)材料參數(shù)，對材料組份進(jìn)行了能譜

4、分析，并對材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電鏡掃描觀察，結(jié)果顯示氧化鋁陶瓷具有強(qiáng)烈的細(xì)觀非均勻性結(jié)構(gòu)特征。 (3)與中國工程物理研究院沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點實驗室合作，設(shè)計實施了氧化鋁陶瓷平板正碰撞實驗和平板傾斜碰撞實驗。利用Ф100輕氣炮和VISAR測量了氧化鋁陶瓷在一維應(yīng)變沖擊壓縮下的自由面速度歷程，并對沖擊回收試件進(jìn)行了電鏡掃描觀察，分析了氧化鋁陶瓷的非彈性變形和破壞行為及損傷材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷中存在破壞波的

5、傳播，并且沖擊壓縮應(yīng)力強(qiáng)度提高時破壞波的傳播速度隨之增加。 (4)利用Ф57壓剪炮和電磁粒子速度計測量了壓剪復(fù)合沖擊加載下氧化鋁陶瓷在不同加載強(qiáng)度和傾斜角度下與質(zhì)點速度相關(guān)的電磁感應(yīng)電動勢變化規(guī)律，考察了銅飛片撞擊陶瓷試件時對感應(yīng)電動勢的影響并加以消除，并對沖擊回收試件進(jìn)行了電鏡掃描觀察，分析了剪切沖擊對氧化鋁陶瓷非彈性變形和破壞行為的影響，發(fā)現(xiàn)剪切沖擊促進(jìn)了氧化鋁陶瓷材料中微裂紋系統(tǒng)的成核與擴(kuò)展。 (5)基于沖擊壓縮下

6、氧化鋁陶瓷的非彈性變形和破壞行為的實驗結(jié)果，結(jié)合脆性陶瓷在細(xì)觀層次上的材料非均勻性及其導(dǎo)致的應(yīng)力分布的高度奇異性，探討了脆性陶瓷材料Hugoniot彈性極限的演化規(guī)律；認(rèn)為陶瓷材料的Hugoniot彈性極限與沖擊壓縮下材料中沿晶微裂紋向穿晶微裂紋系統(tǒng)的過渡相對應(yīng)，并建議在加載強(qiáng)度高于2倍Hugoniot彈性極限的沖擊壓縮下，采用VISAR測量試件自由面速度的直接測量方法來確定高強(qiáng)度脆性陶瓷材料的Hugoniot彈性極限。 (6)

7、基于玻璃、陶瓷等脆性材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均勻性分析，提出了沖擊壓縮應(yīng)力低于Hugoniot彈性極限時產(chǎn)生破壞波的細(xì)觀剪切機(jī)制、基于微裂紋成核與擴(kuò)展的破壞波傳播的細(xì)觀物理機(jī)制以及運(yùn)動破碎界面的波動本質(zhì)特征，并討論了破壞波弛豫現(xiàn)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)化與耗散機(jī)理。 (7)建立了氧化鋁陶瓷在沖擊壓縮下的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系與以表征材料損傷和破壞的非彈性體積應(yīng)變?yōu)閭鞑ヌ卣鞯目刂品匠蹋治隽搜趸X陶瓷發(fā)生非彈性變形和破壞的應(yīng)力條件；聯(lián)系破壞波的傳播特征，進(jìn)一步