沖擊壓縮下氧化鋁陶瓷中的破壞波研究.pdf

1、陶瓷材料以其優良的物理力學性能而廣泛應用在國防建設和軍事科學領域，脆性陶瓷材料在強動載荷作用下的力學響應和破壞行為研究已成為沖擊動力學界廣泛關注的課題，尤其是20世紀90年代初發現的在低于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象，涉及到力學、材料、物理等多學科領域，由于受高壓加載實驗條件和高解析波剖面測試技術等諸多因素的限制，目前對破壞波現象的研究主要集中在對其基本物理力學特征的實驗認識積累上，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生、傳播及其與材料相互作用的物理力學機制，并進一步數值模擬其在實驗中表現出來的基本力學響應特性，這是破壞波研究的重點與難點，也是多年來國內外學者對破壞波產生濃厚興趣的主要原因。 本文在分析國內外有關強動載荷下玻璃中破壞波現象和陶瓷材料非彈性變形響應的研究現狀基礎上，設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，結合玻璃中的破壞波現象，對玻璃和陶瓷材料中破壞波產生和傳播的物理力學機制進

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

4、分析，并對材料的細觀結構進行了電鏡掃描觀察，結果顯示氧化鋁陶瓷具有強烈的細觀非均勻性結構特征。 (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變沖擊壓縮下的自由面速度歷程，并對沖擊回收試件進行了電鏡掃描觀察，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觀結構特征，發現氧化鋁陶瓷中存在破壞波的

5、傳播，并且沖擊壓縮應力強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合沖擊加載下氧化鋁陶瓷在不同加載強度和傾斜角度下與質點速度相關的電磁感應電動勢變化規律，考察了銅飛片撞擊陶瓷試件時對感應電動勢的影響并加以消除，并對沖擊回收試件進行了電鏡掃描觀察，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，發現剪切沖擊促進了氧化鋁陶瓷材料中微裂紋系統的成核與擴展。 (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果，結合脆性陶瓷在細觀層次上的材料非均勻性及其導致的應力分布的高度奇異性，探討了脆性陶瓷材料Hugoniot彈性極限的演化規律；認為陶瓷材料的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的過渡相對應，并建議在加載強度高于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、陶瓷等脆性材料細觀結構的非均勻性分析，提出了沖擊壓縮應力低于Hugoniot彈性極限時產生破壞波的細觀剪切機制、基于微裂紋成核與擴展的破壞波傳播的細觀物理機制以及運動破碎界面的波動本質特征，并討論了破壞波弛豫現象的機械能轉化與耗散機理。 (7)建立了氧化鋁陶瓷在沖擊壓縮下的動態本構關系與以表征材料損傷和破壞的非彈性體積應變為傳播特征的控制方程，分析了氧化鋁陶瓷發生非彈性變形和破壞的應力條件；聯系破壞波的傳播特征，進一步