Al2O3陶瓷静动态破坏机理与碎片统计分析研究
Al2O3陶瓷由于其低密度(3875kg/m3)，高压缩强度(>2GPa)，高耐磨的优点，被广泛运用于民用和军事方面，但是其较低的拉伸强度对其的应用有所限制。尽管Al2O3陶瓷具有优良的力学性能，但是当冲击波荷载作用在Al2O3陶瓷等轻质高强防护装甲时，其破碎特性与应变率效应的物理机制是防护装甲研究中的关键和难点，亦是脆性材料动态特性科学与工程领域研究的前沿和热点，其难点之一为陶瓷的能量吸收模式与破碎颗粒的几何表征及统计分布。为了为Al2O3陶瓷的实际运用提供相关指导，提高其实际运用的能力，本文通过实验对不同应变率下Al2O3陶瓷(Al2O3质量占比在99%以上，为99Al2O3陶瓷)的力学行为和破碎特性开展了相关研究。 首先通过测定掌握了Al2O3陶瓷的材料参数和力学参数，基于这些参数，采用万能实验机开展了准静态压缩实验；利用不同尺寸的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)实验装置，进行了应变率为190s-1~820s-1和1000s-1~2500s-1动态压缩实验，对应试件尺寸分别为10mm×10mm×8mm和3mm×3mm×1mm。 然后对所有碎片进行回收，采用筛余法对准静态实验和中应变率动态实验下的碎片分布特性进行分析，对高应变率下的碎片形貌采用三视图法进行表征；结合数字图像相关技术(Digital Imagine Correlation，DIC)获取190s-1~820s-1动态实验下的试件应变场分布情况。 最后从能量吸收与转化的角度，利用试件破坏过程中微裂纹扩展消耗的能量占总能量的比例(即耗散能占比)来表征试件的破坏过程。结合各种统计学参数和几何参数掌握了试件的破碎特性，得到了高应变率动态冲击实验下量化碎片破碎程度和几何形状的参数的计算公式。 通过实验分析发现：1.SHPB实验反射波的“第二峰”是试件破坏导致阻抗比增大引起的，与试件本身无关，试件对入射波能量的吸收率随应变率的增大而减小。 2.准静态压缩实验中，碎片平均尺寸与应变率的关系不明显，结合分形维数和级配表现能更好的描述其破坏规律；190s-1~820s-1SHPB实验中，碎片平均尺寸随应变率的增加而减小；1000s-1~2500s-1SHPB实验中，应变率较小时会产生更多针状和扁平状的碎片。 3.耗散能占比是Al2O3陶瓷破坏规律的重要因素，随着耗散能占比的变化，试件的破坏模式在1600s-1后出现穿晶断裂；应变率达到2000s-1后，耗散能占比稳定在72.6%左右，碎片球形度稳定在0.96左右。
Al2O3陶瓷;应变率;碎片统计;能量占比;力学响应;应变率效应
西南科技大学
硕士
土木工程
李丹
2021
中文
TQ174.758.11
2021-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）