【摘 要】
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AD95陶瓷具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优点,近年来越来越多的应用于航空航天以及装甲防护等领域。然而,AD95陶瓷作为典型的脆性材料,内部存在原始的微孔洞、微裂纹、晶界等缺陷。在冲击载荷作用下,由于材料抗拉/压力学性能存在严重不对称性,且初始缺陷处存在严重应力集中,从而导致材料的失效与破碎机理较为复杂。因此,开展AD95陶瓷在冲击加载下的力学性能、微观结构、损伤与破碎机理研究至关重要
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AD95陶瓷具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优点,近年来越来越多的应用于航空航天以及装甲防护等领域。然而,AD95陶瓷作为典型的脆性材料,内部存在原始的微孔洞、微裂纹、晶界等缺陷。在冲击载荷作用下,由于材料抗拉/压力学性能存在严重不对称性,且初始缺陷处存在严重应力集中,从而导致材料的失效与破碎机理较为复杂。因此,开展AD95陶瓷在冲击加载下的力学性能、微观结构、损伤与破碎机理研究至关重要。本文采用实验和理论分析开展了AD95陶瓷的动态力学性能以及冲击加载下的破碎尺度研究,结合数值仿真揭示了材料的动态损伤与破碎机理。首先,通过霍普金森压杆实验装置对AD95陶瓷进行了一维应力波加载下动态拉伸/压缩力学性能研究,获得了材料抗拉/压强度的应变率效应。其次,对动态压缩下破碎试样进行软回收,获得了不同应变率下破碎颗粒的平均半径和颗粒数,并采用DID模型开展碎片尺度分析。结果表明AD95陶瓷的拉伸强度与压缩强度一样,也表现出了明显的应变率效应,且抗压强度约为抗拉强度的20倍。通过分析材料的微观结构,发现这种明显的不平衡性主要由微观颗粒形状、晶界以及微孔洞大小和尺寸等因素造成。三维数值模拟结果表明,陶瓷试样损伤始于材料的端面边缘的应力集中,随后逐渐向内部扩展,最终引发试样的完整失效与破碎。最后,开展了AD95陶瓷的平板撞击对称碰撞实验,采用内置压力传感器获得了冲击波速度,并获得了材料高速冲击下的Hugoniot曲线。回收破碎颗粒试样发现,平面冲击加载下AD95陶瓷的破碎尺度集中在300μm~1000μm之间,且总破碎粒子数随着冲击压力的增加而增大。采用非线性有限元软件AUTODYN对平面冲击加载下陶瓷试样进行数值仿真,获得了材料完整的损伤历程,发现圆盘试样受飞片高速撞击作用下,在试样正面形成了一个高应力区域,此处试样失效与破碎主要由压缩强度不足造成;受应力波传播影响,材料的拉伸破坏主要是由边侧稀疏波沿特定路径加载以及试样内部的层裂现象导致。
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