新型抗高能冲击层状陶瓷的原位结构调控及其抗冲击机理

The high-energy impact resistance materials are needed for the safety of battleships, chariots, tanks and battlefield people, ZrO-Zr2CN/Si3N4 laminated ceramics with soft and hard interbedded structure should be an outstanding candidate, whose three structure units (interfaces, hard layers and soft layers) have great effects on the impact resistance performance. Based on the breakthrough in fabrication technology of ZrO-Zr2CN/Si3N4 laminated ceramics via reactive hot pressing, this program intends to determine the effect of thick ratio and heating rate on the in situ microstructure of interfaces and soft layers, the effects of the structure units on the impact resistance behaviors, the energy absorption mechanism and impact resistance mechanism. It hopes that we are able to establish the impact resistance model and realize the in situ structural optimum design of the laminated ceramics. This project will solve several key issues such as the in situ microstructure control of interfaces and soft layers, and the coupling relationship between the structure units and the impact resistance characteristics. The study is original in the aspects like in situ microstructure control method of interfaces and soft layers, evaluation on the impact resistance performance of the laminated ceramics. The above work should supply sufficient information for the structure design and impact resistance application of ZrO-Zr2CN/Si3N4 laminated ceramics.

舰船、战车、坦克等装备及战场人员的安全防护亟需抗高能冲击材料。 ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷是抗高能冲击的有力候选材料，界面、Si3N4硬层和ZrO-Zr2CN软层等三个结构单元共同决定着其抗冲击性能。本项目在突破ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷反应热压烧结制备技术基础上，研究层厚比和升温速率对界面和软层结构的原位调控机理，阐明三个结构单元对抗冲击行为的影响规律，揭示其吸能机理和抗冲击机理，建立其抗冲击模型，从而实现ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的原位优化设计。本项目拟解决ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的界面和软层的原位结构调控、结构单元与动态压缩性能耦合、抗冲击模型建立等关键科学问题，在界面和软层结构的原位调控方法、抗冲击机理分析及抗冲击模型建立等方面具有创新性。本项目的研究成果将为ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的原位结构调控及抗冲击应用提供依据。

层状陶瓷材料由于具有高缺陷容忍性、高吸能能力以及结构可设计等优点，具有满足抗高速高能冲击要求的潜力。本项目提出了反应烧结法（Reactive hot pressing，RHP）制备抗冲击层状陶瓷的新方法。对ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷进行了以下研究：研究了层状陶瓷结构控制的方法；研究了层状陶瓷结构与力学性能的关系；研究了层状陶瓷动态压缩性能的影响因素。主要研究内容如下：.（1）研究了Si3N4层厚度和升温速率对ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷界面性质和微结构的影响，建立界面和层内反应模型。随着Si3N4层厚度或者升温速率的增加，界面强度增加（弱界面厚度减小或者转化为强界面）；升温速率由10 oC/min变为17 oC/min时，ZrO-Zr2CN层内的连续相由Zr2CN相转变为ZrO与ZrO2的混合相（Zr-O混合相）。.（2）研究了层结构和界面性质对ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷力学性能的影响。弱Zr2CN界面厚度大于15 μm，界面厚度是层状陶瓷强度的主要控制因素；弱界面厚度小于15 μm时，减小界面厚度有助于提高层状陶瓷强度和断裂功。.（3）研究了层间残余应力对ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的能量吸收能力的影响。残余应力是影响能量吸收、释放和再分布的主要因素之一，随着Si3N4层内残余压应力的增加，层状陶瓷的弯曲断裂功增加。.（4）研究了应变率对ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的动态压缩性能的影响。随着应变率从1.1×103 s-1增加到3.3×103 s-1，ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的动态应变增加；在应变率为2.0×103 s-1时，动态压缩强度取得最大值。裂纹萌生区域为Zr2CN界面层，且随着应变率的增加，裂纹萌生区域的数量增加。.（5）研究了界面性质和层结构对ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的动态压缩性能的影响，建立动态失效模型。Zr2CN界面厚度由3~5 μm增加为25-30μm时，冲击应力波ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的传播模型由三杆共轴碰撞模型变为四杆共轴碰撞模型。随着界面强度的增加，ZrO-Zr2CN/Si3N4层状陶瓷的动态压缩强度和动态能量吸收能力提高，但动态假塑性变形能力降低；随着Si3N4层厚度的增加，层状陶瓷的动态压缩强度和动态应变增加，但动态能量吸收能力降低。