极端条件下碳化硅的变形、损伤与破坏研究

发布时间：2020-04-29 19:02

【摘要】：材料动态力学行为一直是冲击动力学重要的研究领域,材料在极端条件如高温高压、高应变率等情况下的现象和机理则是近些年越来越受关注的热点。材料或结构冲击响应的研究包括理论分析、模拟研究和实验研究。本文主要通过分子动力学模拟和相关的理论分析,全面深入地研究了SiC陶瓷材料在极端条件下的变形、损伤和破坏行为,详细分析了其中的动力学过程和涉及的微观机理。主要的研究内容如下:(1)采用分子动力学模拟研究了常温下SiC单晶和纳米多晶体的冲击响应特性。通过模拟加载不同的粒子速度,研究冲击强度对其变形、损伤和层裂破坏的影响。详细讨论了晶向对Hugoniot状态、Hugoniot弹性极限和塑性变形以及相变的影响。详细分析了冲击产生的温升对层裂破坏机制转变的影响。研究发现,随着冲击强度的增加,冲击压缩从弹性变为塑性和结构相变,而冲击层裂逐渐从经典层裂模式转变为微层裂机制。(2)采用大规模分子动力学模拟研究了高温下SiC单晶的冲击响应特性。通过改变材料的初始环境温度,研究了初始高温对高熔点的SiC材料动力学性能的影响。从冲击Hugoniot曲线、冲击塑性变形和冲击结构相变以及冲击层裂等方面对比分析了初始高温对材料的影响规律,发现了晶体各向异性在高温和常温下的差异表现。研究发现,初始的高温降低了Hugoniot应力水平,也抑制了变形孪晶的形成,降低了结构相变压力和材料的层裂强度等。(3)采用大规模分子动力学模拟研究了应变率对SiC单晶及纳米多晶体抗拉强度的影响。提出了“准等熵加载”方法,近似等效地研究了材料的“层裂/断裂”行为,实现了宽应变率范围(10~7-10~(12) s~(-1))内SiC材料抗拉强度变化规律的详细研究。同时,研究了单晶SiC中准等熵压缩下塑性和损伤和准等熵拉伸断裂强度和失效模式的各向异性,也对比分析了不同初始压应变对后续准等熵拉伸断裂行为的影响。研究发现,单晶SiC的抗拉强度具有各向异性且在低于10~(10)s~(-1)时表现为近乎应变率无关,而纳米多晶体则显示弱应变率敏感性。高于该应变率时,强度应变率敏感性显著增加。初始的压缩变形对材料的拉伸断裂破坏影响显著。[001]晶向显示独特的八面体解理失效,而[110]和[111]晶向则倾向沿垂直加载方向断裂失效。结合分子动力学结果和宏观实验数据,拟合并提出了宽应变率范围内SiC多晶体抗拉强度的应变率强度模型。该模型对实验应变率水平下材料动态抗拉强度的预测十分吻合。(4)利用超大规模的分子动力学模拟研究了纳米多晶SiC冲击响应受晶粒尺寸的影响。基于超级计算机,通过高达2亿原子的超大规模体系,实现了晶粒尺寸从2nm到32nm范围材料的冲击响应模拟研究。详尽分析了晶粒尺寸对纳米多晶SiC材料冲击Hugoniot曲线、冲击塑性变形和冲击结构相变以及冲击层裂等物理和力学行为的影响规律。
【图文】：

材料实验,外部条件,应变率,微观结构

设备、卫星器件、车辆装甲乃至单兵盔甲防护等领域[1-3]，，具有得天独厚的发展前景。与此同时，其服役环境中常见的高温、高压、高应变率现象也会对工程材料在如此极端条件下的动态物理力学性能的研究。事实上，随活动和向外太空探索能力的提高和范围的增加，人类对极高应变率（大于（如图 1-1）的研究兴趣也与日俱增。（超）高速的碰撞行为、（超）高应泛存在，例如高速行驶汽车高铁的碰撞、装甲的侵彻穿透、航空航天飞行星际物质的碰撞以及各种爆炸类型[4-6]等。冲击、碰撞速度可从每秒数十米百米，甚至数千米，在太空环境中更可高达 10km/s 以上[5,6]，环境温度可增加到上千摄氏度，而且人类已经可以实现高达 43 km/s 的超高发射速度端高温高压和高应变率荷载作用下，材料物质的物理和力学性质往往会发下的显著改变[8,9]。材料的压缩变形将跨度弹性、塑性，甚至引发相变，从着材料的损伤演化和破坏行为特征。冲击荷载在材料内部产生的应力波效态物理力学过程变得更加复杂。

跨尺度,微观

接着纳米孔或裂纹进一步生长和扩展，最终导致材料的失效。完美的晶体如单晶体可充分体现其物质本身的特性，而含缺陷的晶体材料如多晶体则可体现微缺陷结构对材料宏观物理和力学性质不可忽略的影响。对陶瓷材料而言，其晶体结结合键形式决定了它有很高的抗压强度和硬度，但抗拉和抗剪切强度则相对更低，出明显的脆性。传统工程陶瓷往往含有大量的缺陷及不同程度的杂质，使得其组织十分复杂，包括了主晶相、玻璃相和气相。这很大程度上限制了陶瓷主晶相材料的发挥。这也是传统陶瓷材料的实际强度与理论强度差异显著的重要原因之一。随着的发展，块体硬质单晶及纳米陶瓷的出现和兴起，被视为先进陶瓷家族中的一员。有着比传统工程陶瓷更优异的物理和力学性能，将发挥更重要的作用。硬质单晶陶指整体晶面空间取向完全一致的陶瓷晶体，原子结构排列长程有序；而纳米陶瓷则陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平，使得材强度、韧性和超塑性显著提高，并对材料的电学、热学、磁学和光学等性能产生重响，克服了传统工程陶瓷的许多不足。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.758.12

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