装甲陶瓷材料的动态性能研究

Impact experiments of ceramics for armor are performed on split Hopkinson pressure bar(SHPB) equipment at different strain rates. The damage constitutive equation are abtained according to the stress-strain curves. The damage constitutive model is established based on the damage constitutive equation. By contrastive analyzing of the ceramics before and after the dynamic test, the failure mechanism and the damage law in the bullet penetration process can be concluded. For seeking the essential influence factors of the ballistic performance of armor ceramic, the relevance of the physical and chemical properties of ceramic, dynamic performance and the ballistic performance is studied.

利用分离式霍普金森压杆技术对装甲陶瓷进行动态性能测试，获得陶瓷不同应变率下的应力应变关系和损伤本构方程，构建陶瓷损伤本构模型；通过对装甲陶瓷动态测试前后的物相及微观结构进行分析对比，从而得到陶瓷在实际弹击过程中的破坏机制和损伤规律；进一步研究装甲陶瓷的理化性能及动态性能与其抗弹性能关联性，探索影响陶瓷抗弹性能的本质因素。

本项目针对目前国内对装甲陶瓷材料在子弹高速侵彻过程中的受力及破坏变形情况尚未存在较好的表征及考核方法，提出采用分离式霍普金森压杆技术对装甲陶瓷进行动态性能测试，通过子弹侵彻过程中装甲陶瓷的应力应变的变化关系，构建本构方程，从而获得不同装甲材料的抗弹特性及预测其适合的服役环境。本研究中，首先研制了目前国内外用于制备装甲的陶瓷材料，包括氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、以及硼化钛-碳化硼复相陶瓷，重点从理论分析及工艺参数的优化制备了具有柱状晶自增韧的氧化铝和氮化硅陶瓷，同时采用活化SPS工艺制备了高致密度高硬度碳化硅陶瓷和硼化钛-碳化硼复相陶瓷。并对以上陶瓷材料进行微观结构及准静态力学性能分析。然后利用分离式霍普金森压杆对陶瓷进行动态测试，重点研究了陶瓷在准静态下及高速撞击动态下的力学特性及微观结构的变化情况及规律，探讨陶瓷材料的抗弹性能与组成及结构的关联性。研究结果表明，具有自增韧结构的氧化铝和氮化硅陶瓷具有明显的应变率强化效应，而硬度大，模量高的碳化硅陶瓷和硼化钛-碳化硼复相陶瓷却表现出应变率弱化效应。本研究结果为系统研究装甲陶瓷材料动态力学行为提供了一套切实可行的实验方法，可为陶瓷材料在不同服役条件下使用提供理论基础和给实际应用提供选材依据。对我国的国防事业发展具有重要意义。