卢天健、韩宾教授团队《Int. Mater. Rev.》综述：约束效应增强陶瓷质料力教及抗弹功能 – 质料牛

发布时间：2025-03-10 07:02:38 来源： 作者：深度故事

引止

陶瓷质料具备的卢天料力配协力、电战热功能，健韩教及使其正在工程挨算与电子配置装备部署中提醉出普遍的宾教操做价钱。其中，授团述约束效具备低稀度、综质料下缩短强度、应增下硬度的强陶陶瓷质料操做于防弹规模已经有50余年的历史，而且逐渐成为下功能拆甲系统中的瓷质闭头质料。但与传统的抗弹金属质料不开，陶瓷的卢天料力缩短强度远下于推伸强度，且同样艰深提醉出坚性的健韩教及断裂格式。愈减尾要的宾教是，防弹陶瓷的授团述约束效力教功能与防弹功能会提醉出极强的约束相闭性。

远日《International Materials Reviews》刊收综述文章《Confinement effects on 综质料compressive and ballistic performance of ceramics: a review》，对于防弹陶瓷质料中的应增约束效应妨碍了品评。文章第一做者为西安交通小大教张瑞专士，通讯做者为西安交通小大教韩宾副教付与北京航空航天小大教卢天健教授。

图文导读

文章系统天商讨了种种约束模式对于陶瓷的力教战弹讲功能的影响，战潜在的机理。 起尾介绍了由缺陷激发的陶瓷坚性破损，谈判了陶瓷强度与约束压力的关连：随着约束压力的删小大，裂纹的形核战扩大受到抑制，从而正在缩短载荷下后退陶瓷强度，假如约束短缺下以停止过早的坚性破损，则可能产去世延性变形。借介绍了施减约束压力的新闻态魔难魔难足艺，如液压容器、仄板碰击、改擅的霍普金森杆足艺等。此外，总结了基于翼裂纹扩大的微机理模子，可很晴天表征陶瓷缩短强度与约束应力间的关连并掀收微不美不雅熏染激念头理。陶瓷的唯象本构模子则为魔难魔难测患上的强度与静水压力之间的履历关连，开用于小大规模的仿真合计。

图：应力形态克制的陶瓷缩短动做

经由历程比力不开应力形态下陶瓷的断裂模式，收现陶瓷正在单轴缩短下的断裂模式为轴背劈裂，正在单轴缩短下隐现板状碎片，而正在三轴缩短下展现为剪切断层。剪切断层的两个断裂里之间可产去世磨擦滑动，使陶瓷掉踪效后仍具备确定的残余强度，且约束压力越小大，残余强度越小大。由于陶瓷的低推伸强度战低韧性，正在受到弹丸碰击后会展现出特定的誉坏模式，如径背裂纹、破损、锥形裂纹战推伸应力波激发的动态誉伤等。相闭钻研收现，当陶瓷处于约束应力形态下时，弹丸侵略所造成的陶瓷破损誉伤水仄更小。随着预应力的删小大，锥形战径背裂纹可能患上到实用抑制。

图：约束对于陶瓷断裂誉伤的影响

文章讲明了约束效应正在增强陶瓷抗弹功能上发挥的熏染感动。正在拆甲系统中，约束模式同样艰深为侧背约束、盖板约束战施减预应力约束。其中对于陶瓷施减盖板战侧背约束可能停止陶瓷碎片的散射行动，并迫使陶瓷磨益弹丸。侧背约束从素量上而止为边界效应，理当具备与陶瓷质料远似的波阻抗，且当陶瓷横背尺寸短缺小大时侧背约束效应可能轻忽。此外，盖板充任着缓冲层的熏染感动，可实用缓解初初碰击时陶瓷外部的压力。进一步施减预应力可能后退陶瓷强度，限度陶瓷锥裂纹与径背裂纹，并停止由推伸应力波激发的陶瓷誉伤。

图：约束效应增强的陶瓷抗弹功能

约束陶瓷的设念理念已经正在多少多重型拆甲系统中患上到操做，以用去坚持具备超下速率与宏大大动能的弹丸。最简朴的约束陶瓷拆甲模式由盖板，侧背约束，后里板战嵌进式陶瓷块组成。基于此竖坐可妨碍多少多改擅，如正在盖板设念中减进石朱或者硬铜，对于陶瓷妨碍过盈配开，操做其余下功能质料等。由于陶瓷的约束效应答少杆弹的驻留征兆起着尾要熏染感动，经由公平设念后，拆甲系统可正在陶瓷概况截停弹丸。

图：不开约束陶瓷拆甲挨算示诡计

小结

文章综述了防弹陶瓷质料缩短、断裂与抗弹功能中的约束效应，从而为钻研职员战工程师进一步探供斥天陶瓷质料战基于陶瓷的拆甲系统提供科教不雅见识。文章的最后，做者指出了正在底子物理机制战真践操做圆里的钻研远景战挑战，为后绝的钻研提供了参考思绪，以期陶瓷质料及其复开拆甲的钻研有着更好的去世少。

文章链接：https://doi.org/10.1080/09506608.2020.1830665

做者简介

卢天健教付与韩宾副教授团队经暂处置于沉量化防护质料与挨算设念、防弹抗爆规模钻研工做，产出系列化功能。

课题组侵彻规模功能提醉:（a）Compos. Struct. 2019, 111258;（b）Ceram. Int. 2020, 46(15), 23854-23866; (c) Compos. Part A-Appl. S. 2013, 46, 69-79; (d) Compos. Struct. 2020, 1112686.

1. Zhang, R., Han, B., Li, L., Zhao, Z. N., Zhang, Q., Zhang, Q. C., Ni, C. Y., and Lu, T. J., 2019, "Influence of prestress on ballistic performance of bi-layer ceramic composite armors: Experiments and simulations," Composite Structures, 227, 111258.

2. Zhang, R., Qiang, L. S., Han, B., Zhao, Z. Y., & Lu, T. J.,2020, "Ballistic performance of UHMWPE laminated plates and UHMWPE encapsulated aluminum structures: numerical simulation, " Composite Structures, 112686.

3. Han, B., Zhang, Z. J., Zhang, Q. C., Zhang, Q., Lu, T. J., and Lu, B.-H., 2017, "Recent advances in hybrid lattice-cored sandwiches for enhanced multifunctional performance," Extreme Mechanics Letters, 10, pp. 58-69.

4. Zhao, Z. N., Han, B., Li, F. H., Zhang, R., Yang, M. and Lu, T. J, 2020, "Enhanced bi-layer mosaic armor: experiments and simulation," Ceramics International, 46( 15), 23854-23866.

5. Ni, C. Y., Li, Y. C., Xin, F. X., Jin, F., and Lu, T. J., 2013, "Ballistic resistance of hybrid-cored sandwich plates: Numerical and experimental assessment," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 46, pp. 69-79.

6. Ni, C. Y., Hou, R., Xia, H. Y., Zhang, Q. C., Wang, W. B., Cheng, Z. H., and Lu, T. J., 2015, "Perforation resistance of corrugated metallic sandwich plates filled with reactive powder concrete: Experiment and simulation," Composite Structures, 127, pp. 426-435.

7. Ni, C. Y., Hou, R., Han, B., Jin F., Ma G. W., Lu T. J. Normal and oblique projectile impact of double-layered pyramidal lattice truss structures filled with ceramic insertions. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2017, 30(8): 1136-56.

8. Li, L., Zhang, Q. C., Zhang, R., Wang, X., Zhao, Z. Y., He, S. Y., Han, B., and Lu, T. J., 2019, "A laboratory experimental technique for simulating combined blast and impact loading," International Journal of Impact Engineering, 134, 103382.

本文由做者团队供稿。

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