用于头盔的含不锈钢纳米晶层的新型混合板材的防弹性能优化

Most of helmets are based on fibers and composites and rely on their hybrid configurations. New materials for the helmets need to process both high strength and high ductility to reduce non-penetrating injury. Under ballistic limit, as for hybrid plate composed of surface-mechanical-attrition-treated stainless steel (SS) and composite plates, recent penetration experiments have shown that its deformation reduces significantly, compared with un-treated hybrid plate. Therefore, the hybrid plate can be exploited in new generation helmet. It is necessary to clarify dependences of its overall ballistic performance on main factors of the hybrid plate. This project will establish a computational framework, based on the cohesive finite element method and conventional theory of mechanism-based strain-gradient plasticity, to investigate how its ballistic performance is affected by (a) graded plasticity in the SS; (b) thickness of nanograined layer in the SS; and (c) relative thickness of the composite layer. This project will also perform ballistic test of the hybrid plate, based on optical measurement, to verify the computational framework, thus it will propose new strategies to optimize its ballistic performance so that its excellent properties in strength, hardness, abrasion resistance, and corrosion resistance can be exploited further.

大多数头盔采用合成纤维和复合材料，其性能依赖于它们的混合构型。新型头盔材料需要兼有高强度和高韧性以减小非贯穿性损伤。近期侵彻实验显示，在低于弹道极限时，经表面机械研磨纳米化技术处理的不锈钢和碳纤维复合材料制成的混合板材的变形比原板材大幅度减小，为发展新一代头盔提供了新思路。因此亟待了解新型混合板材的整体防弹性能与板材参数的定量依赖关系。本项研究将针对含不锈钢纳米晶层和碳纤维复合材料的混合板材，从机理分析和数学建模入手，建立包含低阶应变梯度塑性理论的内聚力有限元计算框架，通过数值模拟研究其防弹性能随如下因素的变化规律：(a)不锈钢层中的塑性梯度；(b)表面纳米晶层厚度；(c)复合材料层相对厚度，并且利用基于光测方法的子弹侵彻混合板材靶板的实验，验证模拟结果，进而提出新型混合板材防弹性能的优化方案，使其在强度，硬度，耐磨和防腐蚀方面的优良性能得到充分发挥。

本项目建立了结合低阶应变梯度塑性理论，复合材料的细观力学理论和Johnson–Cook失效模型的计算框架，探索了双模态纳米结构金属的增韧机理，强韧性和防弹性能。发现了粗晶区域的形状改变了混合型断裂中I型和II型的比例，对于一些微结构，存在粗晶区域的临界体积分数使得整体对断裂的抵抗能力达到最小。还展示了微结构特征能显著影响子弹速度历程以及靶板临界速度和最大位移。..同时，本项目研究了纳米孪晶增强相的分布特征（排列、形状和取向），微观结构的特征尺寸（孪晶间距）以及体积分数对整体粗晶金属强韧性和防弹性能的影响。发现较小的孪晶间距和孪晶区域的规则分布有利于防弹性能的提升，孪晶区域形状的作用受到孪晶间距的显著影响。..本项目建立了结合应变梯度塑性理论，复合材料细观力学，Johnson–Cook失效模型以及扩展了的Drucker–Prager塑性模型的计算框架，研究了含纳米晶层的不锈钢（表面纳米化的不锈钢）和碳化硅陶瓷的层合板的防炮弹破片行为。探讨了在防护过程之中两层的不同角色，根据不同的结构设计准则澄清了两层各自的内在的重要性。..本项目对外表面被机械研磨的金属管状试样开展了扭转疲劳实验，同时建立了包含损伤外推和蒙特卡罗方法的内聚力有限元计算框架。结果显示，模型能合理地预测裂纹图案和疲劳寿命。研究发现，纳米晶层在寿命改进方面扮演重要角色，裂纹可能萌生在处理后的外表面，也可能在未处理的内表面。..这些结果为纳米结构材料的强韧性设计，抗断裂设计，抗疲劳设计和防弹设计提供了新见解。