碳化硅木质陶瓷复合装甲结构设计及数值模拟优化（英文）

根据车辆的防护要求,以陶瓷复合装甲防弹机理为依据,进行碳化硅木质陶瓷/UHMWPE纤维复合装甲结构设计和数值模拟优化,并制备碳化硅木质陶瓷复合装甲,进行实弹打靶验证防弹性能。在确保陶瓷复合装甲面密度为38 kg/m~2的前提下,以子弹侵彻深度为评价标准,以碳化硅木质陶瓷防弹片的厚度、形状、尺寸和布置位置为研究因素,设计了四因素三水平的正交模拟优化方案,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对所设计的复合装甲的防弹性能进行数值模拟,并比对数值模拟结果与实弹打靶试验结果。结果表明,针对北约AEP-55 STANAG 4569Ⅱ级防护标准,所设计的陶瓷复合装甲最优化的结构形式为8 mm厚的碳化硅木质陶瓷防弹面板、13.7mm厚的UHMWPE纤维防弹背板,防弹面板采用面积为4900 mm~2的正六边形碳化硅木质陶瓷防弹片拼接而成;碳化硅木质陶瓷防弹片对防弹性能的主次影响因素为:布置位置厚度尺寸形状。     

Ti-6Al-4V合金复合装甲的抗侵彻性能及微观损伤机理

为研究复合装甲中Ti-6Al-4V（TC4）合金与碳化硅陶瓷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的最佳组合形式,分析了2种复合结构SiC/UHMWPE/TC4（I）和SiC/TC4/UHMWPE（II）的抗侵彻性能和宏观损伤以及TC4合金的微观损伤。结果表明：复合结构Ⅰ中TC4合金的微观组织表现为弹孔边缘较为平滑,没有出现裂纹,绝热剪切带（ASB）数量较少,并且为直线传播;复合结构Ⅱ中TC4合金微观组织表现为弹孔边缘粗糙,存在裂纹,背部存在崩落损伤,ASB数量多,并且呈弯曲和分叉现象。TC4合金在复合结构Ⅱ中的侵彻过程分为开坑阶段、稳定侵彻阶段和穿孔阶段。复合结构Ⅱ中TC4合金的绝热剪切行为更为复杂,导致耗能更多。此外,复合结构Ⅱ中UHMWPE产生拉伸破坏也属于高耗能失效机制。因此,SiC/TC4/UHMWPE复合结构能够充分发挥TC4和UHMWPE的高耗能机制,抗侵彻性能好于复合结构Ⅰ。     

装甲防护陶瓷材料的研究进展

陶瓷材料以其高模量、高硬度和低密度的优异特性,已成为当今世界各国致力研究的装甲材料。主要综述了陶瓷材料在装甲防护领域的研究进展,介绍了陶瓷复合装甲材料、陶瓷/金属功能复合装甲材料的发展现状及其研究方向,并阐明装甲防护陶瓷材料的物理、力学特性及抗弹性能等方面的要求,阐述装甲防护陶瓷材料的动态力学行为特性,指出装甲防护陶瓷材料的未来发展方向和主要研究内容。     

85Al2O3/SiC纳米复合陶瓷的表面抛光性能

以工业中广泛使用的85氧化铝陶瓷原料粉为原料,加入纳米碳化硅,通过控制无压埋烧制备了85Al2O3/SiC纳米复合陶瓷,研究了其表面抛光行为,讨论了纳米碳化硅对复合陶瓷表面抛光性能的影响.结果表明,纳米复合陶瓷表现出显著优于基体材料的表面抛光响应,在同样的磨料尺寸下,复合陶瓷能够得到更好的表面抛光质量.SEM分析表明,纳米碳化硅的加入使材料的抛光去除机制发生了改变,由大范围的深层晶粒拔出变为小尺寸的浅层去除和塑性变形.     

基于冲压与数控渐进成形的复合成形

针对冲压工艺难以成形形状复杂板材件、冲压模具难以制造或加工成本高以及单独采用数控渐进成形加工效率低的问题,提出基于冲压工艺与数控渐进成形工艺相结合的复合成形方法,并给出了基于冲压与数控渐进成形的复合成形的数值模拟方法。采用冲压成形、数控渐进成形和复合成形3种成形方式,以有限元分析软件数值模拟分析同一形状板材件,对比分析数值模拟后的板材件的轮廓尺寸精度与厚度分布。结果可知,采用复合成形得到的板材件轮廓尺寸精度与厚度分布能够满足实际应用,所提出的复合成形方法具有可应用性。     

2519A铝合金动能吸收能力与抗弹性能

采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)装置进行了动态冲击试验,获得了名义应变速率为3500 s-1条件下2519A铝合金T87态、淬火态以及T87态与淬火态组合试样的真应力-应变曲线.通过对应力-应变曲线进行面积积分获得了试样单位体积吸收的动能值,用以比较不同处理状态试样的动能吸收能力.采用54式穿甲燃烧弹对20 mm 20 mm复合装甲板进行实弹打靶试验,以验证2519A铝合金动能吸收能力与抗弹性能的一致性,并运用TEM对侵彻弹坑边缘微结构特征进行分析.结果表明,2519A-T87态动能吸收能力最强,T87态与淬火态组合试样次之,淬火态试样最弱,打靶试验表明2519A合金的动能吸收能力与抗弹性能一致.     

TA2/1060/5083数值模拟及试验

TA2与5083爆炸焊接界面易生成脆性金属间化合物、氧化物、连续熔化区等缺陷,焊接窗口狭窄,最佳焊接参数难以准确获得。本文重构了动态弯折角β和碰撞速度Vf的β-Vf模型,使用SPH-FEM耦合算法,首次运用Steinberg-Guinan材料本构模型进行了炸药厚度为10mm、15mm、20mm,复板厚度为1.5mm的TA2/1060/5083爆炸焊接数值模拟;并采用数值模拟获得的参数开展了爆炸焊接试验。数值模拟和试验结果高度吻合并一致表明：药厚10mm时,TA2/1060和1060/5083界面均呈优质平直状结合,药厚15mm时,1060/5083界面呈波状形貌结合,两种药厚条件下的钛-铝过渡界面均未检测到脆性金属间化合物缺陷生成;药厚20mm时,基复板材料发生破坏,不能实现复合。运用计算优化的参数成功制备了大面积TA2/1060/5083复合材料,本文为理化性能差异较大异种金属等爆炸复合问题提供了一种新的可靠算法。     

碳化硼基3DMC材料表、界面抗弹机理初探

对复合装甲材料设计中各层材料的声阻抗匹配与抗弹性能的关系进行了理论分析,认为相邻介质表、界面的声阻抗差愈大,其抗弹效果愈好。据此规律从微观复合的角度设计了碳化硼基 3DMC 复合材料,进行了实弹考核。研究结果表明,与某专用装甲钢相比,(B_4C+Al)3DMC 复合材料的密度为 2.6×103 kg/m3,防护系数为 2.68～2.89。     

基于Ti中间层的B4C复合陶瓷扩散连接接头界面微观组织与力学性能

碳化硼(B₄C)复合陶瓷以其高硬度、高熔点、良好的耐磨性以及吸收中子能力的特性,广泛应用于制造防弹装甲材料,原子反应堆控制以及耐磨耐高温结构材料等领域.文中采用中间层Ti箔对碳化硼复合陶瓷(B₄C-SiC-TiB₂)进行扩散连接,研究了连接温度对连接界面组织及接头力学性能的影响.结果表明,在连接温度1300 ~ 1450 ℃下成功扩散连接了B₄C-SiC-TiB₂复合陶瓷,Ti与B₄C反应生成TiB₂和TiC.随着连接温度的升高,反应层变厚,而过厚的反应层会对接头的性能造成不利影响.在连接温度1300 ℃时,反应层的平均厚度约为5 μm,此时获得较高的接头抗剪强度100 MPa;在连接温度1450 ℃时连接层基本为TiB₂和TiC陶瓷相,此时扩散连接接头可以获得较高硬度(25.4 GPa).     

基于包混和复合添加工艺的多孔碳化硅陶瓷的制备和性能

采用包混工艺合成核-壳结构的硅-树脂先驱体粉体,引入Al2O3-SiO2-Y2O3复合添加剂,通过成型、炭化和烧结工艺制备多孔碳化硅陶瓷。分析多孔碳化硅陶瓷样品的物相、形貌、孔隙率、热导率、热膨胀系数和抗热震性能。结果表明：复合添加能够在较低的温度下制得多孔碳化硅陶瓷;陶瓷样品的晶粒较小,明显增强了多孔碳化硅陶瓷的导热性能;复合添加提高了碳化硅陶瓷的抗热震性能,添加Al2O3-SiO2-Y2O3并且在1650℃下烧结制备的多孔碳化硅陶瓷经过30次热震后的抗弯强度损失率为6.5%;陶瓷样品的孔壁更加光滑,孔分布更均匀;复合添加对多孔碳化硅陶瓷热膨胀系数的影响较小。     

Reactive-sintering B_4C matrix composite for armor applications

The B_4C matrix composite intended for armor applications still presents restrictions,such as low sintering density,production of large parts and inherited brittleness Herein,research on this topic is discussed in detail.First the material outlook of armor applications is organized from the development of composite armor and ceramic materials for armor to the B_4C matrix composite and reactive-sintering method.In the second section,the technologies are reviewed for reactive pressureless sintering reactive hot-pressing sintering,reactive discharge plasma sintering and self-propagating high-temperature sintering Thereafter,our previous works on the TiB_2/SiC/B_4C composite and laminated Ti/B_4C composite are employed to illustrate their microstructural evolution,phase transformation and fracture model.These studies provide a potential method for producing tough and high-strength ceramic composites for armor application.In the fina section,the mechanism,evaluation method and influencing factors of anti-penetration for ceramic armor and B_4C matrix composite are reviewed.     

Preparation and Interface Structures of Metal-encased SiC Composite Armors with Interpenetrating Structure

基于宏观有序多孔SiC陶瓷板的制备和对其进行金属铸造的复合技术制备了一种具有三明治互穿结构的新型金属封装SiC陶瓷复合装甲.采用SEM和EDS手段对3种复合装甲中金属(钢和钛合金)/陶瓷界面的显微结构和元素组成或分布进行了分析.相对优良的界面结合的获得与界面相互作用和铸造冷却过程中陶瓷主要受压应力的状态密切相关.界面结构取决于采用的金属材料(包括主体金属元素及其存在状态)和铸造工艺.     

Rapid Fracture of Layered Shields Based on Al – Si3N4 Composite Material

Structures of anti-bullet shields with an armor layer of an Al – Si₃N₄ composite material based on aluminum alloys AK5M2 and AL-23-1 reinforced by a porous Si₃N₄ ceramic formed from the components are considered. The effects of the amount of Si₃N₄ in the composite material, the thickness of the components in the ceramics, and the size proportions in the structure are studied. Shields of layered and layered-lattice types are shown to have high bullet resistance.     

Cf／ZrC—ZrB2-SiC—C超高温陶瓷复合材料的显微结构表征

利用X-射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对Cf／ZrC-ZrB2-SiC-C超高温陶瓷复合材料的相组成、纤维／热解碳层的界面特征和超高温陶瓷基体的显微结构特征进行了表征。在碳纤维表面有一层厚度为2～3μm石墨化程度较高的热解碳界面层,该界面层可以避免采用PIP工艺制备超高温陶瓷基体时可能对碳纤维造成的损伤。热解碳层与碳纤维之间为弱机械结合,其界面间分布着20～30nm的ZrC纳米颗粒。Cf／ZrC—ZrB2-SiC—C超高温陶瓷复合材料基体主要由ZrC,ZrB2,SiC和石墨相（Cg）组成。基体中石墨的（002）面沿着ZrC,ZrB2或SiC的表面生长。在石墨与ZrB2和石墨与SiC的界面没有观察到取向关系,界面处既没有反应层也没有非晶相存在。在石墨与ZrC之间存在ZrC（111）／／Cg（002）,ZrC[110]／／Cr[010]的取向关系。ZrB,和SiC之间也没有界面反应和非晶层存在。     

SiC/GFRP复合装甲超声辅助制孔技术研究

针对新型轻质陶瓷材料为核心的高性能复合装甲在常规加工过程中质量差等问题,对SiC/GFRP复合装甲进行超声振动辅助制孔加工技术研究,通过改变机床主轴转速、进给速度等加工工艺参数,探究钻削力的变化。结果表明：提高主轴转速或降低进给速度,可有效减小钻削轴向力;超声振动辅助提高了制孔表面完整性,能显著改善制孔质量。     

单颗磨粒划擦SiCf/SiC陶瓷基复合材料的试验研究

为研究SiC纤维(SiC_f)增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)的磨削损伤机理,搭建试验平台开展单颗磨粒划擦试验,测量划擦力并观察其表面损伤形式,研究磨粒形状、划痕深度和SiC_f取向对复合材料磨削机理的影响。试验结果表明:SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的划擦损伤形式主要有基体崩碎、纤维裂纹、断裂和拔出等。在SiC_f/SiC陶瓷基复合材料划擦过程中,尖锐状磨粒的划擦力更小,且整条划痕的表面损伤范围较扁平状磨粒的小。用扁平状磨粒划擦但纤维取向γ= 0°时,划痕形貌中纤维断裂、纤维拔出等损伤形式出现较少。      

热压工艺对SiC纤维增强TB8复合材料组织影响研究

通过箔-纤维-箔法制备了Si C纤维增强TB8复合材料,采用光学电子显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)对复合材料的微观组织进行表征与分析,研究了真空热压复     

陶瓷复合装甲的台阶孔及槽加工试验研究

针对陶瓷复合装甲的台阶孔及开槽加工的技术难题,根据其组成材料特性设计了专用烧结金刚石工具,并对其进行了加工试验研究.分析了加工过程中出现的各种表面质量缺陷,并给出了改善表面加工质量的有效方法,确定了合理的工艺流程及工艺参数.试验表明,台阶孔及开槽的加工质量完全满足复合装甲的装配技术要求.     

Microstructure transmissibility in preparing SiC ceramics from natural wood

A new technique has been developed to prepare SiC ceramic products from natural wood by C–Si reaction at high temperature. Three typical types of natural wood, i.e. pine, birch and bamboo, were selected as the raw materials. XRD analysis indicated that the SiC ceramic prepared by this technique was multi-phase solid, composed of β-SiC and free-silicon. The cell–pipe–fiber structure of the original wood can be transmitted to the final SiC ceramics. The typical structure (cell, pipe or fiber) is in the scale 20–200 μm, and so the arrangement of small SiC grains in the original location of carbon induces observable microstructure transmissibility. The experiment results showed that this technique is a suitable new method to prepare ceramics with a bionics structure.     

Effect of Steam Activation on Development of Light Weight Biomorphic Porous SiC from Pine Wood Precursor

Biomorphic SiC materials with tailor-made microstructure and properties similar to ceramic materials manufactured by conventional method are a new class of materials derived from natural biopolymeric cellulose templates (wood). Porous silicon carbide (SiC) ceramics with wood-like microstructure have been prepared by carbothermal reduction of charcoal/silica composites at 1300-1600 °C in inert Ar atmosphere. The C/SiO₂ composites were fabricated by infiltrating silica sol into porous activated biocarbon template. Silica in the charcoal/silica composite, preferentially in the cellular pores, was found to get transformed in forms of fibers and rods due to shrinkage during drying. The changes in the morphology of resulting porous SiC ceramics after heat treatment to 1600 °C, as well as the conversion mechanism of wood to activated carbon and then to porous SiC ceramic have been investigated using scanning electron microscope, x-ray diffraction, thermogravimetric analysis, and differential scanning calorimetry. Activation of carbon prior to silica infiltration has been found to enhance conversion of charcoal to SiC. The pore structure is found to be uniform in these materials than in those made from as-such charcoal/silica composites. This provides a low-cost and eco-friendly route to advanced ceramic materials, with near-net shape potential.