题目：防弹陶瓷强韧化与陶瓷复合装甲设计分析

陶瓷复合装甲材料具有密度低、防护水平高、可设计性好等优点，在航空装甲、地面战车、舰船及单兵防护等领域都获得了广泛应用。本文针对新一代复合装甲发展需求，开展防弹陶瓷强韧化及陶瓷复合装甲的设计分析研究，对复合装甲和武器装备的轻量化、低成本化和多功能化发展具有重要意义。模拟弹体冲击靶板行为改进了霍普金森压杆装置，采用该装置对陶瓷复合装甲动态冲击破坏行为进行研究，考察了面板/背板厚度匹配关系对复合装甲应力波传播特性和陶瓷面板破坏特征的影响规律，背板厚度增加时，复合装甲透射应力波强度增加，反射应力波强度降低，陶瓷面板破碎程度降低，有利于复合装甲防弹性能的提高；面板变化对复合装甲应力波传播特性影响较小。陶瓷面板破坏机理分析表明，放射状裂纹形成由陶瓷面板受冲背面拉伸应力大小控制；据此建立了拉伸应力估算模型，揭示了拉伸应力随面/背板模量比、面板厚度和背板厚度的变化规律；通过锥形裂纹特征和断口微观形貌分析，证实了锥形裂纹的应力波作用控制机理。在陶瓷面板动态冲击破坏机理分析的基础上，分别开展了B4C和Al2O3防弹陶瓷强韧化研究。首次研究并制备出短碳纤维增强B4C低密度防弹陶瓷，密度降低至2.45g•cm-3的同时，弹道吸能比原有B4C防弹陶瓷提高11%。统计了碳纤维的长度分布特性，分析了碳纤维对B4C陶瓷烧结的促进作用，建立了短碳纤维增强B4C陶瓷的纤维二维随机分布结构模型。分析表明，强度高、韧性好且轴向热膨胀系数与B4C接近的高强型碳纤维具有最好的强韧化效果。其次，通过向B4C中添加莫来石纤维，热压烧结制备了莫来石增强B4C防弹陶瓷，莫来石体积含量为3%时，陶瓷弯曲强度达到560.7 MPa，断裂韧性达到3.33 MPa•m1/2，分别比单相B4C陶瓷提高154%和96%，弹道吸能比原有B4C防弹陶瓷提高14%。烧结机理分析表明，莫来石中Si原子的扩散迁移对B4C烧结具有活化作用，是促进致密化烧结的主要原因。接下来开展了SiC粒子增强Al2O3防弹陶瓷的空气中无压烧结研究，系统考察了SiC晶型、SiC含量、制坯工艺、烧结温度和烧结气氛等因素对陶瓷致密化烧结的影响规律，制备出了高致密化程度的SiC粒子增强Al2O3防弹陶瓷，维氏硬度达到1368 kgf•mm-2，断裂韧性4.87 MPa•m1/2，密度降低至3.68 g•cm-3，防弹性能和原有Al2O3防弹陶瓷接近。烧结机理分析表明，β-SiC的氧化产物和Al2O3反应生成低熔点共熔物，在Al2O3晶粒表面形成液相层，从而促进了陶瓷的烧结致密化。然后，从三个层次对所研制防弹陶瓷的动态性能进行了评价表征。首先利用霍普金森压杆装置测试分析了防弹陶瓷的动态弯曲性能；之后考察了防弹陶瓷用作复合装甲面板时的冲击性能；最后通过实弹靶试评价了防弹陶瓷的弹道冲击性能。另外，根据陶瓷复合装甲结构特点和防弹陶瓷电磁特性，提出了止裂层兼作吸波层的复合装甲防弹/吸波一体化设计方法，该设计方法在不改变复合装甲基本结构前提下，方便有效的实现了复合装甲的吸波功能，并且对装甲防弹性能影响较小。