多层陶瓷复合轻装甲结构的抗弹性分析

该文基于应力波在分界面的反射和透射理论 ,综合考虑靶板的整体变形 ,提出了一种多层陶瓷复合轻装甲结构方案 ;利用薄板的冲击动力响应模型 ,对该类靶板的抗弹性进行了理论分析 。

飞行器陶瓷基复合材料轻量化结构设计研究进展

高马赫数飞行带来的极端服役环境对新一代高速飞行器的材料、结构设计提出了更加严苛的要求,本文从“选、用、评”三方面对陶瓷基复合材料在飞行器结构设计中的应用进行综述,进而提出未来发展方向,为飞行器陶瓷基复合材料结构设计提供参考。全面综述了陶瓷基复合材料在不同应用场景下的选取准则及相应制备方法,系统介绍了陶瓷基复合材料在飞行器结构中的典型应用,分析了近服役工况下材料的评价准则及地面实验方法。为满足未来飞行器需求,提出需要结合计算机辅助优化技术和创新制备方法,提高陶瓷基复合材料的耐温和抗疲劳性能;发展高可靠、长寿命的连接技术和一体成型设计方案,充分发挥材料优势;开发多物理场耦合作用下的原位表征技术,以获得陶瓷基复合材料在实际使用中的性能演化行为,为飞行器轻量化结构设计提供可靠依据。

多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE复合结构的抗侵彻性能

陶瓷/纤维复合装甲的纤维背板由于其刚度较低,无法为陶瓷面板提供足够的支撑,削弱了陶瓷面板对弹丸的侵蚀作用。为了增强复合装甲的整体结构刚度,在陶瓷/纤维复合装甲中加入了金属夹芯层材料,通过试验和数值模拟研究了夹芯复合装甲对12.7 mm穿燃弹的抗弹性能。试验结果表明,穿燃弹弹芯表现出脆性断裂的失效模式,复合材料装甲表现出多种失效模式,包括夹芯层的花瓣形扩孔,UHMWPE(ultra-high molecular weight polyethylene)层压板的分层和凸起变形。建立了三维数值模型来分析整个弹道响应的演变,通过试验结果验证了模拟的准确性。模拟结果表明,12.7 mm穿燃弹的被甲会对陶瓷造成损伤,同时陶瓷会侵蚀弹芯的尖卵形头部,使弹芯头部变钝从而削弱弹芯对UHMWPE背板的侵彻能力。残余弹体的动能大部分由UHMWPE层吸收,UHMWPE层压板的失效模式会随着层数的增加由剪切失效转变为拉伸失效占主导地位。此外,作为夹芯层的多孔TC4板能够为陶瓷面板提供支撑,提高陶瓷面板的吸能效果以及弹体的侵蚀作用,并且12 mm孔径的TC4夹芯层能够提供更大的刚度支撑,使整体复合结构的吸能效率提升10%。

弹击载荷下陶瓷⁃UHMWPE复合结构厚度比对背面变形的影响分析

陶瓷⁃超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合结构具有优异的防弹性能,但是其在弹击载荷下的背面变形规律仍不清晰。研究建立定量描述弹击载荷下陶瓷⁃UHMWPE复合结构背面变形的理论模型,分析了相同面密度下陶瓷与UHMWPE层厚度比对背面变形的影响机制。结果表明,相同弹击速度和面密度条件下,厚度比值越大,单位厚度的UHMWPE层储存的能量越大,导致背面变形越大。

TA2/AZ31B/2024Al爆炸焊接复合板界面微观结构特征及其动态力学性能

运用平行法爆炸焊接工艺,开展了TA2/AZ31B/2024Al多层轻质金属板材爆炸焊接实验。通过扫描电镜、电子背散射衍射、分离式霍普金森压杆及三维轮廓扫描等测试技术,对多层爆炸焊接复合板界面微观结构特征、材料物相变化规律、复合板材动态力学性能及材料冲击断口特征开展了系统研究。研究结果表明:焊后多层轻质金属复合板的4个焊接界面均呈现出爆炸焊接特有的波形结构特征,结合界面处无明显缺陷,总体焊接质量良好。结合界面处晶粒发生细化并形成细晶区,1060Al过渡层内晶粒组织由于强塑性变形呈现典型的拉长层状晶粒特征,4个结合界面处均出现明显的变形织构与再结晶织构特征。沿X方向的试样最大动态抗压强度达605 MPa,分层断口界面三维形貌呈现近似水面波纹的独特结构特征。沿Z方向的试样最大动态抗压强度达390 MPa,断口界面三维形貌呈现明显的纤维状韧性断裂特征。

轻质陶瓷/复合材料装甲抗弹机理的研究

从弹道实验出发，对陶瓷／复合材料装甲的抗弹机理进行了研究。分析了面板、背板的断裂形貌及其在整个复合装甲系统中的作用，提出了背板设计的一些基本要求，并对采用混杂结构背板提高复合装甲抗弹能力进行了研究。

Al_2O_3/ZrO_2层状复合陶瓷的结构设计与性能

以ZrO2 为基本组成相的层状材料 ,采用干法成型工艺 ,通过对表面层不同组分Al2 O3+ZrO2 和表面厚度的系统研究和设计 ,提出设计三层结构复合陶瓷层裂参数λ ,当λ小于 1.5时 ,表面层不会出现层裂 ,整体材料性能较好 .研究表明 ,表面残余压应力的存在 ,使得三层结构复合陶瓷较单层结构陶瓷表现出更高的强度、硬度、断裂韧性和其他性质 .45 %Al2 O3/ZrO2 / 45 %Al2 O3层状复合陶瓷的弯曲强度达 682MPa,断裂韧性达 16.2MPa·m1 /2 ;而单层ZrO2 陶瓷的弯曲强度和断裂韧性分别仅为 45 0MPa和 8.

金属封装多层陶瓷复合结构抗侵彻性能

针对传统层状陶瓷复合结构难以抵抗多次打击的问题,开展轻质金属封装陶瓷复合结构的抗侵彻性能研究。通过弹道枪实验和数值方法,获得金属封装多层陶瓷复合结构和单层陶瓷复合结构的抗侵彻性能。结果表明:多层复合结构抗侵彻性能比单层陶瓷复合结构提高了15%;两层陶瓷块的错位排布,基本消除了其不同位置处抗侵彻性能的差异;金属框架限制了陶瓷碎片的飞散,增加了陶瓷材料对弹丸的侵彻阻力,使金属封装夹层耗散了弹丸约55%的动能;陶瓷层数量的增加使冲击波在不同材料的衰减幅度以及界面间反射次数增加,改变了载荷在陶瓷层间的分布特性,减小了陶瓷破坏范围,有效提高了复合结构抗多次打击能力。

多层轻钢房屋建筑结构——轻钢龙骨式复合剪力墙结构体系研究进展

轻钢结构是天然的绿色建筑,也是天然的工业化建筑.中国人口众多,土地资源紧张,地震灾害严重,因此发展多层冷成型钢房屋建筑符合中国国情.将低层冷成型钢结构体系拓展至多层结构,存在4个主要技术难点.课题组通过结构体系与主要部件两个层面的改进,提出了多层冷成型钢龙骨式复合剪力墙结构体系及其两个重要部件——冷成型钢托梁龙骨-ALC板组合楼盖和带有夹心墙板单元的轻钢龙骨式复合墙体.还针对该新型体系的抗侧、抗火等基础理论问题,阐述了课题组研究进展及国内外同行的相关研究工作.最后,从宏观角度指出了该新型体系尚需开展的研究工作.

圆筒型陶瓷钛合金芳纶三单元层复合靶板结构抗弹性能数值模拟及其内在机理

针对53式7.62 mm口径穿甲燃烧弹对圆筒型陶瓷-钛合金-芳纶三单元层复合靶板结构的侵彻过程,本文开展了抗弹性能数值模拟研究.模拟结果表明,弹体垂直入射将造成陶瓷块开裂破碎,最终撞击在钛合金单元层上形成凹坑,复合靶板穿深与试验所测结果吻合良好,相对误差仅为9.4%;陶瓷、钛合金、芳纶三个单元层消耗的能量所占百分比分别为83.77%,13.77%,2.46%.在此基础上,通过设置0°~70°系列不同初始时刻入射姿态角θ0,发现弹体侵彻过程中陶瓷单元层耗散的能量占复合靶板耗散总能的比值始终最大.进一步分析陶瓷单元层可知,随着θ0的增大,陶瓷单元层受力峰值总体呈减小的趋势.且入射姿态角不同,弹靶作用模式也存在差异.对陶瓷单元层进行耗能分析,可知其与质量损失变化大体一致.但初始时刻入射姿态角为30°时,由于弹靶作用过程以弹身接触靶板为主,靶板质量损伤大但能量获取相对较少.

舰船用轻型陶瓷基复合装甲的抗弹性能研究

针对舰船用复合装甲特殊要求,设计出了不同结构的陶瓷基复合装甲,对其在某型号弹种的弹道冲击下的防护能力展开试验研究;比较了不同结构形式的装甲以及船体钢的抗弹性能,并进行了复合装甲防护能力的评价,着重分析了不同结构形式复合装甲的抗弹机理。试验结果表明,陶瓷层是复合装甲中的关键组成部分,同时复合装甲中的其他组成部分也对整体的防护能力有着重要影响,装甲结构形式的合理性也是陶瓷基复合装甲具备良好抗弹性能的基础。

空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性

基于均质钢板、聚脲涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构,采用装药驱动预制破片试验方法开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究,提出了各组分的毁伤破坏模式,对比分析了4种防护装甲结构的防护性能,探讨了复合装甲结构的防护机理。结果表明:作用于目标结构的破片动能远大于冲击波能,聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲,增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效,破片撞击将引起陶瓷块大面积损伤,严重影响了其对后续着靶破片的防护性能。

黏结层对陶瓷/金属复合装甲抗弹性能的影响研究

采用二级轻气炮加载装置和AUTODYN软件对含环氧树脂黏结层的陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能展开了研究。陶瓷面板分为叠层和单层板两种形式,对应于C/E/A(Ceramic/Epoxyresin/Aluminumalloy)和C/E/C/E/A(Ceramic/Epoxyresin/Ceramic/Epoxyresin/Aluminumalloy)复合装甲。结果表明,受应力波传播和破碎锥作用,C/E/C/E/A装甲较C/E/A装甲的陶瓷面板破碎程度更大。具有缓冲作用的黏结层,随其厚度的增加,陶瓷损伤程度逐渐减小,背板侵深也逐渐减小。对Yaziv系数的修订表明,在相同弹速和黏结层厚度条件下,相同面密度的叠层陶瓷装甲抗弹性能优于单层陶瓷装甲。但是,黏结层厚度的增加对C/E/C/E/A装甲的抗弹性能贡献不大,而对C/E/A复合装甲的影响却较大。最后,对于两种形式陶瓷复合装甲,黏结层均使得装甲内透射应力波幅值得到了有效衰减,尤其是C/E/C/E/A装甲。

冷冻铸造技术制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的层状结构复合材料,类似"砖和泥"的软硬相交替的层状分级组装结构赋予其优良的力学性能。通过对贝壳的珍珠层进行仿生研究,人们已利用不同技术如冷冻铸造技术等,制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,并且这些材料在航空航天、军事、民用及机械工程等领域表现出广阔的应用前景。首先介绍了贝壳珍珠层的结构性能,并对其断裂机制进行了阐述;然后综合介绍了冷冻铸造技术的发展历程、作用机理、控制因素、装置设计和总体工艺流程。在此基础上,对制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料的表观密度、多孔陶瓷的孔隙率进行介绍,综述了多孔陶瓷的性能、陶瓷/金属层状结构复合材料以及陶瓷/聚合物层状结构复合材料的特点和应用,最后分析和总结了在研究仿贝壳层状结构陶瓷复合材料过程中出现的问题,并对该复合材料的未来发展趋势做了一定的预测。

多层橡胶陶瓷复合装甲的抗侵彻性能研究

设计了一种多层橡胶陶瓷复合装甲结构。采用LS-DYNA数值仿真的方法,分析了穿甲弹在不同着角下侵彻复合装甲的速度损失和质量销蚀曲线,发现速度损伤量和质量销蚀率随着角的增大而增大。根据多组分复合装甲混合律计算出装甲的抗弹能力,得出多层橡胶陶瓷复合装甲具有良好的抗穿甲弹性能的结论,可以为其他橡胶复合装甲结构的设计提供支撑和依据。

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术研究进展

碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构已经被广泛地应用于航空航天及相关的工程领域。阐述了近年来国内外碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构制孔技术的研究进展与发展方向,重点剖析了叠层结构钻削机理、制孔缺陷、制孔质量影响要素等方面。为实现碳纤维增强复合材料/轻合金叠层结构优质高效制孔加工,提出叠层结构制孔切削热建模仿真、制孔缺陷预测与制孔过程智能控制等未来研究方向。叠层结构制孔研究的现状分析与展望将会对航空装配领域的技术进步起到重要的指导作用。

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。

金属桁架增强陶瓷复合装甲抗弹性能研究

为了提高传统层叠金属陶瓷复合装甲的抗弹能力,提出一种由金属桁架结构、陶瓷、环氧树脂胶结剂、金属面板、背板所组成的新型复合装甲结构。应用LS-DYNA软件分析了该型复合靶板在不同位置受钢质弹丸侵彻时的抗弹性能,并与相同厚度的传统层叠金属陶瓷复合靶板对比分析。结果表明:金属桁架结构具有良好的吸收冲击能量的特性,环氧树脂配合金属桁架结构对陶瓷棒有支撑约束与结构限制的作用,大幅度提高了该型复合装甲的抗弹性能。

连续纤维增强陶瓷基复合材料界面层研究进展

界面层是陶瓷基复合材料中的关键组成部分,因对复合材料的各项性能都有重要影响,而成为陶瓷基复合材料研究的重点之一。本文在叙述界面层功能的基础上,分别对结构陶瓷基复合材料和抗氧化陶瓷基复合材料的界面层研究现状进行讨论,分析了研究中存在的问题,指出了未来研究的方向和重点。

层片状LaPO_4陶瓷的力学性能与显微结构

利用无压、热压、放电等离子三种烧结方法制备了高密度、层片状的LaPO4陶瓷.测定、表征了三种烧结路线合成LaPO4陶瓷的致密化程度、织构行为及基本力学性能.同时,基于Al2O3和LaPO4相之间可形成弱结合界面,无压烧结制备了可用硬质合金钢钻头钻孔的40wt％Al2O3/LaPO4可加工复合材料.