新型陶瓷复合结构抗侵彻性能研究

For "NSAF joint funds Projects with defined goals"-5, this application present a new idea to study the Penetration properties of new ceramic composite armor structures according to the requirement of the applicator. It is believed that the failure and destruction characters of materials in ceramic armor caused by fragment are directly related with the energy dissipation in Penetration process. Through the study of these procedures of materials failure from local damage to integral destruction of structure, the Penetration energy dissipations of these procedures are expected to attain based on material and mechanical relevant principles. And then the efficiency of material dissipating Penetration energy could be revealed. Obviously, the dissipating Penetration energy efficiency of new armor can be investigated by the efficiencies of materials that compose ceramic composite armor. Based on the above idea, the main research contents of our application include: testing and description of materials’ failure from local damage to integral destruction of structure caused in the process of penetration, investigation of formation process of these materials’ failure from local damage to integral destruction of structure and its related energy conversion law under different fragment states, establish of the relationship between material destruction, fragment state and Penetration energy dissipation, and then presenting dissipating Penetration energy efficiencies of materials that compose ceramic composite armor. Based on these researches, two new ceramic armor’s Penetration-resistance properties against a self-sharpen high-speed fragment would be studied systematically and then optimization the ceramic composite armor structure. It is also expected that these researches can help study of the constitutive equations of materials and numerical simulation of Penetration. Finally, samples of ceramic composite armor will be provided for application study.

本申请针对NSAF联合基金中的培育项目明确目标课题－5，根据应用单位的要求，提出通过对材料结构动态破坏特性与加载条件间的关系研究，揭示侵彻过程中的能量耗散规律；以材料对侵彻能量的耗散效率为依据，研究具有自锐化特性的高速破片在两种新型陶瓷复合防护结构中的侵彻机理，实现复合结构的优化，提高其抗侵彻性能，制备应用要求的防护部件；同时为这一类轻质陶瓷复合防护结构的设计提供一种新的思路和方法。主要研究内容：通过对侵彻过程中靶板材料的结构破坏特性的分析与表征，采用材料学、力学相关原理来描述破坏结构的形成过程，研究这些过程对应的能量转换规律，建立侵彻条件、材料的结构破坏特性与材料对侵彻能量的耗散效率间的相互关系；以材料对侵彻能量的耗散效率为依据，研究具有自锐化特性的高速破片在两种轻质陶瓷复合防护结构中的侵彻过程和机理；根据复合防护结构对侵彻能量最优化的耗散效率，来进行新型陶瓷复合防护结构的设计与优化。

针对高速侵彻防护材料和结构研制的研究目标，本项目以高性能的抗侵彻陶瓷B4C为基础，主要进行了下面三个方面的研究：.1）.在材料制备技术创新的基础上，研究了不同的材料组成设计对B4C陶瓷强度、断裂韧性等影响陶瓷材料抗侵彻特性的力学性能的影响。结果揭示了在密实的陶瓷材料中，陶瓷组分的界面化学相容性和热应力影响上述陶瓷力学性能的机制，为高性能抗侵彻陶瓷材料的结构设计提供了理论基础。.2）.项目开展了上述B4C陶瓷材料随着冲击侵彻速度增加的结构失效特征，并从材料结构动力学角度揭示了在侵彻过程中的陶瓷材料的结构失效特征。结果显示，B4C陶瓷在高速冲击下，晶体结构失稳，而TiB2陶瓷则表现出了较好的结构稳定性，但由于冲击侵彻速度的上升材料损伤更多地深入到晶格尺度结构，两者单位破损材料的耗能均随着冲击侵彻速度的上升而增强。冲击波能量传播范围的缩小被认为是高速侵彻下陶瓷材料抗侵彻性能难以提高的主要原因。.3）.采用数值模拟的方法研究了冲击波在陶瓷复合板中的传播特性，并将其与材料的损伤过程联系在一起，探索了复合结构的优化机理。研究结果发现，随着陶瓷厚度和支撑条件的改变，陶瓷材料抗压缩特性起主要作用的冲击表面驻留过程也会有相应的变化，并且表现出与传统复合结构面板和背板最佳厚度比变化相似的规律。结果为上述规律的内在机理和优化陶瓷复合防侵彻结构的设计提供了理论基础。. 在研究过程中，首次提出并探索了以材料结构动力学为 主的方法来研究陶瓷及其复合结构的冲击侵彻过程，揭示了材料结构损伤特性、耗能和抗冲击侵彻性能间的关系，并取得了一些有意义的结果。相关工作在SCI期刊上发表论文10余篇，并取得国家专利一项；与应用单位一起培养研究生6名，青年研究人员2人，并有力促进了相关应用项目的顺利完成。全面完成了项目的既定研究目标和研究内容。