【摘 要】
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战场中作战武器高机动性、强防御性的发展需求对装甲材料提出了更高的要求。功能梯度材料（FGMs,Functionally graded materials）由于其优异的特性成为未来装甲材料的重点发展方向之一。本文针对目前抗弹梯度复合材料高品质制备、颗粒增强金属基复合材料高速撞击条件下的本构模型缺失以及层状梯度复合材料抗弹机制不清晰等问题,设计并制备陶瓷含量跨度为25～70vol.%的B4Cp/202
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战场中作战武器高机动性、强防御性的发展需求对装甲材料提出了更高的要求。功能梯度材料（FGMs,Functionally graded materials）由于其优异的特性成为未来装甲材料的重点发展方向之一。本文针对目前抗弹梯度复合材料高品质制备、颗粒增强金属基复合材料高速撞击条件下的本构模型缺失以及层状梯度复合材料抗弹机制不清晰等问题,设计并制备陶瓷含量跨度为25～70vol.%的B4Cp/2024Al复合材料,系统地研究了B4C含量对B4Cp/2024Al的组织和动态力学性能的影响规律,提出了适合描述铝基复合材料动态行为的本构模型。测试了梯度B4Cp/2024Al复合材料的抗弹性能,并基于宏微观损伤和有限元模拟分析了梯度B4Cp/2024Al的抗弹机理。基于层状介质波阻抗效应,设计出一种梯度层状B4C/2024Al复合材料,通过多尺度粉体级配和压力浸渗工艺一体化制备了等厚度等梯度70-47-25vol.%B4Cp/2024Al复合材料,各层材料组织均匀,层间基体连续。对三种体积分数的复合材料T6态的微观组织表征发现界面有少量Al3B48C2和Al3BC相;Mg和O元素在Al-B4C界面偏聚,影响了析出相的种类和形貌;25vol.%B4C/2024Al复合材料的主要析出相为S’相;47vol.%B4C/2024Al复合材料中为S’+θ’相共同析出;70vol.%B4Cp/2024Al复合材料的析出相为θ相。三种体积分数B4Cp/2024Al复合材料的准静态性能测试结果表明,复合材料压缩强度随着B4C体积分数的增加呈现先增加后降低的趋势,塑性随着B4C体积分数的增加逐渐降低。三种复合材料在不同温度和应变速率高速撞击条件下的真应力-真应变曲线均呈现明显的应变软化现象。软化机制以B4C增强体颗粒的破碎导致有效承载能力下降为主,还包括基体铝合金的动态回复、动态再结晶、绝热温升软化等。通过引入应变软化因子（1εk）,对经典Johnson-Cook模型进行了修正,准确描述了颗粒增强铝基复合材料的动态力学行为。利用7.62mm穿燃弹（API,Armor-piercing incendiary）对70-47-25vol.%B4Cp/2024Al复合材料的薄靶和半无限靶板进行了抗弹测试,结果表明:在相同面密度的情况下,梯度B4Cp/2024Al复合材料相比于均质材料具备更加优异的抗侵彻性能,其半无限靶板防护系数和厚度系数分别达3.18和1.06,且靶板的损伤更小。对侵彻后的70-47-25vol.%梯度B4Cp/2024Al复合材料半无限靶板各层的微观组织观察表明,迎弹面70vol%B4Cp/2024Al复合材料的损伤形式为B4C颗粒的碎裂,并在B4C颗粒内部存在大量的层错和孪晶,以及由于动态回复形成的位错墙;过渡层47vol%B4Cp/2024Al复合材料的损伤形式包括少量的B4C颗粒破碎、基体熔化导致的微孔和裂纹;底层25vol%B4Cp/2024Al复合材料几乎没有B4C颗粒的损伤,铝基体有明显的回复。梯度B4Cp/2024Al复合材料的损伤形式表明其在抗弹体侵彻过程中各层起到了不同的作用,迎弹面70vol%B4Cp/2024Al复合材料主要起到了磨蚀及破碎弹体的作用,B4C颗粒的破碎以及对弹体钢芯的磨蚀是其主要的耗能方式;过渡层47vol%B4Cp/2024Al的塑性变形以及对弹体钢芯的磨蚀是其主要的耗能方式;底层25vol%B4Cp/2024Al的主要耗能方式为塑性变形,其较好的塑性以及较高的抗拉强度可以有效地保持靶板的完整性。70-47-25vol%层状梯度B4Cp/2024Al复合材料的抗弹机理为:一体化制备的该复合材料靶板由于层间基体连续,降低了反射拉伸应力波强度,有效抑制了高体分迎弹面破碎锥的形成,提高了抗弹能力。
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