氧化铝陶瓷冲击压缩损伤及残余强度实验研究.pdf

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1、万方数据ExperimentalStudyonShockCompressiveDamageandResidualStrengthofAluminaCeramicsADissertationSubmittedtoChinaAcademyofEngineeringPhysicsfortheDegreeofDoctorofScienceAuthor：SunZhan--fengSupervisor：ProfessorHeHong-liangProfessorLiPingProfessorLiQing·-zhongInstituteofFluidPhysicsChinaAcadem

2、yofEngineeringPhysicsMay2012万方数据中国工程物理研究院博士学位论文独创性声明＼嘲攀刿本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包括为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。学位论文作者签名：易小占峰签字日期：勋／2·f，9学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规

3、定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：导师签名：到、也晦。L，石≯rJ>签字日期：勿，2if-，月，矿日签字日期：2．at2．-年3-月，扩Et万方数据中国工程物理研究院博士学位论文摘要由于具有良好的物理和力学性能，陶瓷材料成为一种常用的轻质装甲防护材料。作为典型的脆性材料，陶瓷对变形具有高度敏感性，在强动载荷下具有完全不同于延性金属材料的损伤、破坏行为和物理、力学响应特性。高硬度和脆性的特点往往使陶瓷在撞击

4、过程中因材料严重损伤而断裂或粉碎，而损伤和破坏区的状态直接影响其防护(抗侵彻)性能。深入研究陶瓷材料在冲击压缩下的动态行为和损伤破坏特性具有重要的学术意义和应用价值。本论文以AD95陶瓷为研究对象，采用实验研究和理论分析相结合的方法，系统地研究了氧化铝陶瓷在不同冲击加载应力区间和加载应力状态的压缩损伤特性和残余强度，分析和讨论了其与加载条件和材料特性的关系，探索并建立了冲击压缩损伤状态和程度的表征方法。研究结果表明，AD95多晶氧化铝陶瓷：(a)存在小于HEL的压缩损伤阈值应力，当冲击加载应力小于阈值应力时，不发生压缩损伤，材料的层裂强度随加载应力的增加逐渐增大；(b)当

5、加载应力大于阈值应力但小于HEL时，发生一定程度的压缩损伤，材料残余的层裂强度快速降低，在加载应力达到HEL时，完全丧失层裂强度；(C)当加载应力大于HEL时，材料发生相对于压应力的等效损伤，导致雨贡纽状态的高压声速和有效剪切模量逐渐降低；(d)当加载应力大于约40GPa时，材料发生严重的等效损伤，处于类流体状态，但是可能由于压应力作用下破碎颗粒之间的摩擦效应，材料仍然具有一定的表观强度，表现为高压声速虽然降低但不退化为体波声速，有效剪切模量也降低但不降到零。具体开展的研究内容和得出的主要结论如下：(一)低压区的冲击压缩损伤研究开展了低压冲击压缩损伤之破坏波实验，方法是：

6、采用一级轻气炮加速足够厚的无氧铜飞片，撞击AD95陶瓷样品，采用VISAR技术测量样品在一维应变冲击压缩下的自由面粒子速度剖面，然后通过速度剖面的特征分析并结合断裂和损伤力学理论分析，对是否存在破坏波的现象、规律和机理进行了深入研究。(1)AD95陶瓷材料在小于和略大于HEL的一维应变冲击压缩下，自由面速度剖面中都未出现类似于玻璃和岩石中的表征破坏波现象的二次加载信号，即未发现滞后于冲击波阵面传播的声阻抗明显降低的严重损伤和破碎界面。万方数据氧化铝陶瓷冲击压缩损伤及残余强度实验研究(2)样品自由面速度剖面特征分析表明，理论计算得到的特征点时间差规律性地小于实验值，而且即使

7、加载应力小于HEL速度上升前沿也具有一定弥散特征，表明在所讨论的冲击加载应力范围内(即使在HEL以下)AD95陶瓷材料存在一定程度的轻微压缩损伤。(3)断裂力学理论分析表明，微裂纹扩展相关的压缩损伤过程，除了与加载应力和加载作用时间等外在因素相关以外，还与材料的断裂韧性和细观组织结构等内在因素直接相关。首先，断裂韧性相对较低，冲击波加载下易于形成大量微裂纹扩展和贯通，使材料发生“粉碎性"的严重破坏，是产生破坏波现象的前提条件。其次，体内微裂纹的构形和分布，可能是影响材料是否存在破坏波现象以及破坏波形式的重要因素。(二)低压区的