冲击压缩下氧化铝陶瓷中的破坏波研究

发布时间：2020-06-07 12:40

【摘要】： 陶瓷材料以其优良的物理力学性能而广泛应用在国防建设和军事科学领域，脆性陶瓷材料在强动载荷作用下的力学响应和破坏行为研究已成为冲击动力学界广泛关注的课题，尤其是20世纪90年代初发现的在低于Hugoniot弹性极限的冲击压缩下玻璃和陶瓷等脆性材料中的破坏波现象，涉及到力学、材料、物理等多学科领域，由于受高压加载实验条件和高解析波剖面测试技术等诸多因素的限制，目前对破坏波现象的研究主要集中在对其基本物理力学特征的实验认识积累上，迄今仍缺乏一个完整的理论模型能够圆满解释破坏波的产生、传播及其与材料相互作用的物理力学机制，并进一步数值模拟其在实验中表现出来的基本力学响应特性，这是破坏波研究的重点与难点，也是多年来国内外学者对破坏波产生浓厚兴趣的主要原因。本文在分析国内外有关强动载荷下玻璃中破坏波现象和陶瓷材料非弹性变形响应的研究现状基础上，设计实施了氧化铝陶瓷平板正碰撞实验和平板倾斜碰撞实验，结合玻璃中的破坏波现象，对玻璃和陶瓷材料中破坏波产生和传播的物理力学机制进行了分析，并从材料细观结构非均匀性及其导致的细观应力分布的高度奇异性出发，建立了描述破坏波现象的渐进破碎模型。论文主要工作和结论如下：（1）对玻璃材料在冲击压缩强度低于Hugoniot弹性极限时的破坏波现象和陶瓷材料在强动载荷下独特的非弹性变形响应的研究成果进行了回顾，特别考察了破坏波形成和传播的物理机制、力学参量演化特征与数学模型描述。（2）超声波实验测量了氧化铝陶瓷材料的基本物理力学材料参数，对材料组份进行了能谱分析，并对材料的细观结构进行了电镜扫描观察，结果显示氧化铝陶瓷具有强烈的细观非均匀性结构特征。（3）与中国工程物理研究院冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室合作，设计实施了氧化铝陶瓷平板正碰撞实验和平板倾斜碰撞实验。利用Φ100轻气炮和VISAR测量了氧化铝陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面速度历程，并对冲击回收试件进行了电镜扫描观察，分析了氧化铝陶瓷的非弹性变形和破坏行为及损伤材料的细观结构特征，发现氧化铝陶瓷中存在破坏波的传播，并且冲击压缩应力强度提高时破坏波的传播速度随之增加。（4）利用Φ57压剪炮和电磁粒子速度计测量了压剪复合冲击加载下氧化铝陶瓷在不同加载强度和倾斜角度下与质点速度相关的电磁感应电动势变化规律，考察了铜飞片撞击陶瓷试件时对感应电动势的影响并加以消除，并对冲击回收试件 WP=5 进行了电镜扫描观察，，分析了剪切冲击对氧化铝陶瓷非弹性变形和破坏行为的影响，发现剪切冲击促进了氧化铝陶瓷材料中微裂纹系统的成核与扩展。（5）基于冲击压缩下氧化铝陶瓷的非弹性变形和破坏行为的实验结果，结合脆性陶瓷在细观层次上的材料非均匀性及其导致的应力分布的高度奇异性，探讨了脆性陶瓷材料Hugoniot弹性极限的演化规律；认为陶瓷材料的Hugoniot弹性极限与冲击压缩下材料中沿晶微裂纹向穿晶微裂纹系统的过渡相对应，并建议在加载强度高于2倍Hugoniot弹性极限的冲击压缩下，采用VISAR测量试件自由面速度的直接测量方法来确定高强度脆性陶瓷材料的Hugoniot弹性极限。（6）基于玻璃、陶瓷等脆性材料细观结构的非均匀性分析，提出了冲击压缩应力低于Hugoniot弹性极限时产生破坏波的细观剪切机制、基于微裂纹成核与扩展的破坏波传播的细观物理机制以及运动破碎界面的波动本质特征，并讨论了破坏波弛豫现象的机械能转化与耗散机理。（7）建立了氧化铝陶瓷在冲击压缩下的动态本构关系与以表征材料损伤和破坏的非弹性体积应变为传播特征的控制方程，分析了氧化铝陶瓷发生非弹性变形和破坏的应力条件；联系破坏波的传播特征，进一步数值模拟了在不同强度的冲击压缩下玻璃和氧化铝陶瓷中破坏波的传播过程。
【图文】：

冲击压缩,脆性材料,破坏波,自由面

由此可见冲击压缩下脆性材料中的波击压缩下的自由面速度历程[4]ocity history of shocked K19 glassTime (ìs) 2 3lass 5.15mmtc

冲击压缩,横向应力,历程,玻璃

切强度显著降低破坏波过后介质的横向应力化图 1.2 破坏波的传播速度随冲击压缩应力强上有大量的微裂纹产生由此可见冲击压缩下别于延性材料中的塑性波图 1.1 K19 玻璃在冲击压缩下的自由面速度历程[4Fig 1.1 Free surface velocity history of shocked K19 gTime (ìs)reFurfaceSelocityVkm/s)(00.20.40.60.80 1 2 3Glass 5.15mmtc
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TG148

【引证文献】