高強(qiáng)輕集料混凝土的脆性特征與增韌技術(shù)研究項(xiàng)目摘要

通過(guò)研究高強(qiáng)輕集料混凝土的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系以及在應(yīng)力作用下的變形和破壞規(guī)律，闡明其脆性特征。采用纖維增強(qiáng)和聚合物改性等方法制備高韌性高強(qiáng)輕集料混凝土，并研究它的破壞準(zhǔn)則和本構(gòu)模型，揭示其韌性增強(qiáng)的機(jī)理，提出改善其脆性的技術(shù)途徑和方法。使該種材料安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理地用于結(jié)構(gòu)工程，具有重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義。 2100433B

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和材料試驗(yàn)相結(jié)合，研究碳----玻璃混雜纖維增韌高強(qiáng)混凝土的復(fù)合機(jī)理和機(jī)敏特性，建立該新型復(fù)合材料增韌的力學(xué)模型，探討纖維參數(shù)、材料組份和顯微結(jié)構(gòu)對(duì)電導(dǎo)性能和熱電效應(yīng)的影響以及構(gòu)件承載過(guò)程中電導(dǎo)率與材料內(nèi)部應(yīng)變、溫度、損傷等變量的關(guān)系，為混凝土智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、健康監(jiān)測(cè)和壽命評(píng)估提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。 2100433B

本項(xiàng)目以氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了增韌陶瓷的破壞特性、本構(gòu)模型、增韌機(jī)理、聲發(fā)射特性和增韌陶瓷的抗侵徹特性。主要研究工作和成果如下： 1）對(duì)熱壓燒結(jié)法制備的三種陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力學(xué)性能和增韌機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。結(jié)果表明，ZrO2的加入細(xì)化了基體Al2O3晶粒，ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高。三種陶瓷試件的破壞呈現(xiàn)小變形到脆性破壞的特點(diǎn)，壓縮加載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)近似為線(xiàn)性關(guān)系。AD995陶瓷的斷裂韌性為5.65MPa?m1/2，25% ZrO2/Al2O3陶瓷的斷裂韌性為8.42MPa?m1/2，提高了近50%。基于復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論并考慮ZrO2的相變特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力學(xué)性能的本構(gòu)模型。模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，隨ZrO2增韌相含量的增加，ZrO2/Al2O3陶瓷的楊氏模量降低而斷裂韌性增加，這一變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。 2）采用改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)ZTA陶瓷的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和破壞特性進(jìn)行了研究。獲得了ZTA陶瓷在較高應(yīng)變率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)；結(jié)果顯示，ZTA陶瓷動(dòng)力學(xué)特性有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而提高，同時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性特征；單軸加載下，隨著應(yīng)變率的提高，ZTA陶瓷的破壞呈現(xiàn)出了從劈裂破壞到散體破壞的狀態(tài)。 3）利用先進(jìn)的聲發(fā)射系統(tǒng)研究了強(qiáng)脆性陶瓷材料壓縮破壞的損傷變化過(guò)程，將采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分解分析了聲發(fā)射信號(hào)的頻率特征。結(jié)果表明，加載初期，材料損傷主要由微裂紋成核為主導(dǎo)，產(chǎn)生大量低幅值(<40dB)信號(hào)；而加載后期的高幅值信號(hào)(>80 dB)主要由微裂紋擴(kuò)展或匯合產(chǎn)生。脆性材料失穩(wěn)破壞階段信號(hào)能量特征值呈現(xiàn)出低頻段P1急劇升高、高頻段P2急劇下降的特點(diǎn)，即失穩(wěn)破壞時(shí)產(chǎn)生低頻信號(hào)。結(jié)合裂紋源的尺度與聲發(fā)射信號(hào)頻率成相反的關(guān)系，揭示了尺度較大的微裂紋擴(kuò)展或匯合是導(dǎo)致材料失穩(wěn)破壞的主要機(jī)制。 4）采用有限元程序數(shù)值模擬了長(zhǎng)桿彈侵徹氧化鋁陶瓷靶的破壞特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了氧化鋁陶瓷本構(gòu)模型中的材料參數(shù)；建立聚能射流侵徹氧化鋁陶瓷靶的計(jì)算模型，對(duì)射流的形成機(jī)理及氧化鋁陶瓷靶的抗侵徹性能進(jìn)行研究。

陶瓷基復(fù)合材料的研制與應(yīng)用將是復(fù)合裝甲材料的總趨勢(shì)，開(kāi)展增韌陶瓷材料的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、破壞特性、動(dòng)態(tài)本構(gòu)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(guān)鍵因素。研究?jī)?nèi)容有：（1）利用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、分離式霍普金森壓桿和輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)增韌陶瓷試件實(shí)施準(zhǔn)靜態(tài)、低、高應(yīng)變率下的壓縮實(shí)驗(yàn)，測(cè)量材料壓縮強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等材料性能參數(shù)，得到材料在較寬應(yīng)變率范圍內(nèi)完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，進(jìn)一步分析增韌陶瓷材料的應(yīng)變率效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和破壞特性。（2）利用聲發(fā)射技術(shù)、掃描電鏡等對(duì)實(shí)驗(yàn)后的試件進(jìn)行測(cè)試，分析試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破壞特征和增韌機(jī)制。（3）考慮應(yīng)變率、損傷的影響，建立能準(zhǔn)確描述增韌陶瓷材料的動(dòng)力學(xué)行為的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。（4）利用自行開(kāi)發(fā)的多物質(zhì)流體程序?qū)υ鲰g陶瓷材料抗侵徹問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)驗(yàn)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(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。