多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

冲击波极端条件下玻璃的细观结构破坏

 研究了冲击波极端条件下玻璃介质的细观结构破坏问题，指出在低于Hugoniot弹性极限的应力区内，按照细观结构损伤程度的不同，在受压玻璃介质中可以划分出两个区域，即压缩区和破坏区。以K9和ZF1玻璃为例，通过双层结构样品实验，确认了玻璃样品的表面效应（即表面原生微裂纹的扩展）是破坏区形成的第一位原因。其次，基于对破坏区内细观结构损伤和破坏特性的分析，进一步提出：由于玻璃内部散布的不均匀相与其基体介质之间的压缩率不同，冲击波压缩造成了众多的局域变形点，当表面裂纹扩展到不均匀相与基体的边界处，会出现裂纹扩展路径拐折或分叉，造成介质的分割甚至粉碎，这是破坏区生成的第二位原因。     

设计脆性材料的冲击塑性

通过微结构设计提升脆性功能材料的冲击塑性, 将有助于避免或延缓失效的发生. 提出在脆性材料中植入特定的微小孔洞以改善其冲击塑性的设计方法. 采用一种能够定量表现脆性材料力学性质的格点-弹簧模型, 研究了孔洞排布方式对脆性材料冲击响应的影响. 孔洞随机排布的多孔脆性材料具有明显高于致密脆性材料的冲击塑性, 而设计规则的孔洞排布方式将有助于进一步提升脆性材料的冲击塑性. 对150 m/s活塞冲击下气孔率5%的多孔样品的介观变形特征分析表明, 孔洞规则排布的样品中孔洞贯通和体积收缩变形占主导, 而孔洞随机排布的样品中剪切裂纹长距离扩展和滑移与转动变形占主导. 尽管在宏观的Hugoniot应力-应变曲线上, 两种孔洞排布方式的样品都表现出三段式响应特征(线弹性阶段、塌缩变形阶段和滑移与转动变形阶段), 但孔洞规则排布时孔洞塌缩变形阶段对整体冲击塑性的贡献更大. 研究揭示的规则排布孔洞增强脆性材料冲击塑性的原理, 将有助于脆性材料冲击诱导功能失效的预防.     

低冲击应力下脆性介质电阻率的实时测量

 冲击波压缩下材料宏观性质的变化与微观结构演化有着密切联系。通过改进对称差分电路测量方法,测量K9玻璃在失效破坏过程中的电阻率变化,研究了脆性介质在低冲击波应力下的损伤破坏机制。结果表明,随着冲击波在K9玻璃中传播,K9玻璃的电阻率逐渐下降;在7.6 GPa冲击压缩下,K9玻璃由最初的绝缘体状态逐渐转变为电阻率约420 Ω·m的稳定状态。     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度

不同于延性介质,脆性介质的失效破坏严重制约着材料的强度.本文采用一种定量描述脆性介质力学性质的格点-弹簧模型,研究了金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度及其细观损伤机理,有助于避免灾变破坏、提高冲击强度.在模型中,通过构建不同体积分数比的金刚石和碳化硅两相复合材料,模拟获得了经受冲击波压缩形变后的宏观波剖面,显示出随着金刚石颗粒含量增加,冲击强度逐渐增大,而后减小;对应于这种变化,损伤演化分析揭示出存在三种细观损伤模式,当金刚石颗粒含量在10%—50%范围内增加时,长距离扩展滑移带占主导;当金刚石颗粒含量为70%时,滑移带已由长距离扩展演化为短细滑移带,损伤主要来自于碳化硅基体,多数金刚石颗粒未发生损伤;当金刚石颗粒含量超过70%的临界值后,短细滑移带也将被强烈限制,应力集中致使金刚石颗粒被严重损伤,冲击强度下降.研究结果为优化设计金刚石-碳化硅超硬复合材料以及制备新型抗冲击材料提供了物理认知.     

多孔材料在压缩载荷作用下的剪切破坏模式分析

压缩行为是工程材料最为基本的力学性能之一. 本文通过简化结构模型分析了各向同性的三维网状高孔率多孔材料在压缩载荷作用下的破坏模式,其中包括单向压缩、双向压缩和三向压缩等三种承载情形. 在此基础上,得出了这种多孔体受压破坏源于剪切断裂模式时名义主应力与孔率之间的数理关系. 结果表明,该类材料承受压缩载荷时的破坏模式与其材质的种类有关,脆性材质多孔体的孔棱呈拉断破坏模式,而韧性材质多孔体的孔棱则可能出现剪切断裂的破坏模式. 对应得出的强度设计判据可为该类材料在这种承载破坏模式下的应用提供参考.     

基于有限元法的激光等离子体诱导玻璃 损伤特性研究

研究了熔石英玻璃元件在纳秒激光等离子体冲击波作用下的表面和横截面损伤形貌,利用有限元法模拟了冲击波在熔石英玻璃内部的传播规律,并基于冲击波在玻璃内部的应力分布规律分析了损伤形成机理.研究发现:在冲击波作用下,石英玻璃会受到沿波面方向的压应力和沿波面切方向的拉应力,在这两种力的作用下,造成以激光辐照中心的弧状层状断裂和沿径向的断裂;冲击波的反射叠加还会使局部拉应力增大,造成靠近后表面的损伤.有限元法能够直观地分析等离子体冲击波对光学元件的作用,并分析光学元件在等离子体冲击波下的损伤机理.     

AD95陶瓷破坏波问题的实验研究

采用激光速度干涉技术,连续测量了AD95氧化铝陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面速度剖面,通过对速度剖面特征的分析,讨论了AD95陶瓷等脆性材料在冲击压缩下是否存在破坏波现象及其与材料特性的关系。研究结果表明:冲击加载应力在4.4~7.3GPa范围,即从小于到略大于雨贡纽弹性极限(约5.5GPa),在AD95陶瓷的自由面速度剖面中都未出现表征破坏波现象的二次加载信号,表明未发生破坏波形式的严重压缩损伤;但是,自由面速度剖面中特征点的规律性时序关系和前沿弥散特征都表明,在所讨论的加载应力范围内,AD95陶瓷材料发生了一定程度的压缩损伤;断裂韧性是影响材料在冲击压缩下是否发生破坏波现象的重要因素,断裂韧性较低,冲击波加载下易于形成大量微裂纹扩展和贯通,使材料发生"粉碎性"的严重破坏,是产生破坏波现象的重要条件之一。     

冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

层错四面体对单晶铜层裂行为影响的分子动力学研究

层错四面体是一种典型的三维空位型缺陷,广泛存在于受辐照后的面心立方金属材料中,对材料的力学性能有显著的影响.目前,关于层错四面体对辐照材料层裂行为的影响还缺乏深入系统的研究.本文使用分子动力学方法模拟了含有层错四面体的单晶铜在不同冲击速度下的层裂行为,对整个冲击过程中的自由表面速度及微结构演化等进行了深入的分析.研究发现,层错四面体在冲击波作用下会发生坍塌,并进一步诱导材料产生位错、层错等缺陷.在中低速度加载下,层错四面体坍塌引起的缺陷快速向周围扩展,为孔洞提供了更宽的形核区域,促进了孔洞的异质成核,造成材料层裂强度大幅度减小.当冲击速度较高时,层错四面体坍塌导致的局部缺陷对材料的层裂强度不再有明显影响.     

Computer simulation of the relation between mechanical behavior and structural evolution of oxide ceramics under dynamic loading

Computer simulation is used to investigate the deformation and damage processes taking place in brittle porous oxide ceramics under intense dynamic loading. The pore structure is shown to substantially affect the size of the fragments and the strength of the materials. In porous ceramics subjected to shock loading, deformation is localized in mesoscopic bands having characteristic orientations along, across, and at ∼45° to the direction of propagation of the shock wave front. The localized-deformation bands may be transformed into macroscopic cracks. A method is proposed for a theoretical estimation of the effective elastic moduli of ceramics with pore structure without resorting to well-known hypotheses for the relation between elastic moduli and porosity of the materials.     

《高压物理学报》创刊十周年

《高压物理学报》创刊十周年《高压物理学报》编辑部《高压物理学报》是我国高压物理领域内唯一专业性学术刊物，它是由中国物理学会高压物理专业委员会主办、中国工程物理研究院流体物理研究所承办的一份学术季刊。自１９８７年创刊以来，至今已有１０年的历史了。在这期...     

冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究

通过平板冲击实验研究了富含微缺陷的非均质脆性固体的冲击压缩响应特性.选取“强角闪石化橄榄二辉岩”作为样品材料，利用激光速度干涉仪测量样品后自由面的速度历史，在冲击加载应力远低于样品材料Hugoniot弹性极限的条件下，观测到了表征破坏波出现的再加载信号，并且该破坏波的速度远大于玻璃中破坏波的速度，以接近于冲击波的速度在样品内向前传播，其形成机理与玻璃样品中的破坏机理不同，称之为“就位扩展机理”.采用同一冲击加载应力(～3.9GPa)作用于不同厚度的样品,获得了破坏波穿过样品的运动过程，确定出样品中破坏波的轨迹线近似为一条不过原点的直线，相应的产生此破坏波的弛豫时间约为0.5 μs.