層狀復合與多相復合協(xié)同增韌陶瓷研究

本項目研究了層狀復合陶瓷的夾層材料、層狀復合方式制備工藝、界面結構特征等，制備出多種弱夾層、強夾層、多相復合協(xié)同增韌層狀復合陶瓷，其中ZTA/Al2O3強夾層層狀復合陶瓷的沖擊韌性是單相Al2O3陶瓷的5.6倍，單相ZTA陶瓷的2.8倍；而且復合陶瓷的斷裂韌性和維氏硬度在平行于夾層方向和垂直于夾層方向差別不大，克服了弱夾層陶瓷各向異性的缺點；通過層狀復合陶瓷斷口分析和界面HREM分析，確證層狀復合陶瓷的主要增韌機理是多層介質的裂紋止裂和裂紋分層效應。發(fā)表學術論文26篇，培養(yǎng)博士生1名，碩士生5名。提出了層狀復合陶瓷增韌機理及其優(yōu)化設計方案，為層狀復合材料的開發(fā)與應用奠定理論基礎。

針對聚碳酸酯（PC）促進核殼粒子增韌聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）共混體系脆韌轉變提前發(fā)生和PBT促進核殼粒子增韌PC體系沖擊韌性顯著提高的現(xiàn)象，提出多相聚酯/核殼粒子共混體系雙向協(xié)同增韌的觀點。課題所用增韌劑為反應性核殼粒子MBS-g-GMA，探討協(xié)同增韌機理。研究PBT與PC之間的酯交換反應程度、PBT結晶行為變化、PC物理老化行為改變與協(xié)同增韌的關系。利用Vu-Khanh方程、Eyring方程、Ludwik-Davidenkov-Orowan脆韌轉變理論將多相共混體系協(xié)同增韌與共混物斷裂行為變化相關聯(lián)。在協(xié)同增韌作用下，通過設計MBS-g-GMA內部結構控制其空洞化能力制備出更高韌性的合金材料。本課題通過第三組分聚合物引入改變基體鏈結構、聚集態(tài)結構、物理老化等特性，從而改變增韌塑料斷裂行為，實現(xiàn)對結晶性、物理老化特性塑料協(xié)同增韌，豐富高分子增韌理論，指導高韌工程塑料合金開發(fā)有重要意義

采用乳液聚合方法制備了MBS-g-GMA反應性核殼粒子用于PBT/PC共混物的增韌改性。主要研究了PBT、PC之間的酯交換反應程度、酯交換的抑制、酯交換促進劑與抑制劑對MBS-g-GMA增韌PBT/PC性能的影響；考察了PC對PBT結晶行為的改變；研究了PC物理老化行為與PBT協(xié)同增韌的關系；利用Vu-Khanh方程、Eyring方程、Ludwik-Davidenkov-Orowan脆韌轉變理論分析了多相聚酯共混體系的斷裂行為；研究了核殼粒子微觀結構調控對共混物性能的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)加工溫度和PBT與PC的組成對二者的酯交換影響顯著，共混物中磷酸類化合物的引入可以降低PBT/PC的酯交換程度。抑制酯交換不利于MBS-g-GMA對PBT/PC的增韌。酯交換促進劑的加入提高了MBS-g-GMA對PBT/PC的增韌能力。PC的加入降低了PBT的結晶速度和結晶能力，對晶型沒有改變。PBT影響PC的物理老化能力，減弱了物理老化對PC斷裂行為的影響。PC的主要貢獻是在共混物受到?jīng)_擊外力作用時，首先發(fā)生屈服形變。而界面層的PC由于與PBT之間的交換反應導致二者之間有較好的界面結合強度，因此促進PBT基體剪切屈服的提前發(fā)生，起到協(xié)同增韌作用。通過調控MBS-g-GMA核殼粒子的微觀結構可以改變PBT/PC共混物的斷裂行為，實現(xiàn)材料強度與韌性的平衡，獲得沖擊強度高于900J/m，屈服應力大于50MPa的共混材料。本課題通過第三組分聚合物引入改變基體性質，從而改變增韌塑料斷裂行為，實現(xiàn)對塑料協(xié)同增韌，指導高韌工程塑料合金開發(fā)、豐富高分子增韌理論有重要實用價值和理論意義。

陶瓷基復合材料的研制與應用將是復合裝甲材料的總趨勢，開展增韌陶瓷材料的動力學響應、破壞特性、動態(tài)本構模型、失效特性的研究都是分析增韌陶瓷裝甲抗侵徹性能的關鍵因素。研究內容有：（1）利用材料實驗機、分離式霍普金森壓桿和輕氣炮實驗裝置對增韌陶瓷試件實施準靜態(tài)、低、高應變率下的壓縮實驗，測量材料壓縮強度、屈服強度等材料性能參數(shù)，得到材料在較寬應變率范圍內完整的應力應變曲線，進一步分析增韌陶瓷材料的應變率效應、動力學響應和破壞特性。（2）利用聲發(fā)射技術、掃描電鏡等對實驗后的試件進行測試，分析試件內部微觀結構的破壞特征和增韌機制。（3）考慮應變率、損傷的影響，建立能準確描述增韌陶瓷材料的動力學行為的動態(tài)本構模型。（4）利用自行開發(fā)的多物質流體程序對增韌陶瓷材料抗侵徹問題進行數(shù)值模擬，來驗證和完善理論模型；為提高增韌陶瓷材料的抗侵徹能力，為新型陶瓷裝甲的設計提供理論依據(jù)和技術支撐。