發(fā)布時間：2020-04-29 19:02

【摘要】：材料動態(tài)力學(xué)行為一直是沖擊動力學(xué)重要的研究領(lǐng)域,材料在極端條件如高溫高壓、高應(yīng)變率等情況下的現(xiàn)象和機理則是近些年越來越受關(guān)注的熱點。材料或結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的研究包括理論分析、模擬研究和實驗研究。本文主要通過分子動力學(xué)模擬和相關(guān)的理論分析,全面深入地研究了SiC陶瓷材料在極端條件下的變形、損傷和破壞行為,詳細分析了其中的動力學(xué)過程和涉及的微觀機理。主要的研究內(nèi)容如下:(1)采用分子動力學(xué)模擬研究了常溫下SiC單晶和納米多晶體的沖擊響應(yīng)特性。通過模擬加載不同的粒子速度,研究沖擊強度對其變形、損傷和層裂破壞的影響。詳細討論了晶向?qū)ugoniot狀態(tài)、Hugoniot彈性極限和塑性變形以及相變的影響。詳細分析了沖擊產(chǎn)生的溫升對層裂破壞機制轉(zhuǎn)變的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著沖擊強度的增加,沖擊壓縮從彈性變?yōu)樗苄院徒Y(jié)構(gòu)相變,而沖擊層裂逐漸從經(jīng)典層裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)槲恿褭C制。(2)采用大規(guī)模分子動力學(xué)模擬研究了高溫下SiC單晶的沖擊響應(yīng)特性。通過改變材料的初始環(huán)境溫度,研究了初始高溫對高熔點的SiC材料動力學(xué)性能的影響。從沖擊Hugoniot曲線、沖擊塑性變形和沖擊結(jié)構(gòu)相變以及沖擊層裂等方面對比分析了初始高溫對材料的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了晶體各向異性在高溫和常溫下的差異表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),初始的高溫降低了Hugoniot應(yīng)力水平,也抑制了變形孿晶的形成,降低了結(jié)構(gòu)相變壓力和材料的層裂強度等。(3)采用大規(guī)模分子動力學(xué)模擬研究了應(yīng)變率對SiC單晶及納米多晶體抗拉強度的影響。提出了“準等熵加載”方法,近似等效地研究了材料的“層裂/斷裂”行為,實現(xiàn)了寬應(yīng)變率范圍(10~7-10~(12) s~(-1))內(nèi)SiC材料抗拉強度變化規(guī)律的詳細研究。同時,研究了單晶SiC中準等熵壓縮下塑性和損傷和準等熵拉伸斷裂強度和失效模式的各向異性,也對比分析了不同初始壓應(yīng)變對后續(xù)準等熵拉伸斷裂行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),單晶SiC的抗拉強度具有各向異性且在低于10~(10)s~(-1)時表現(xiàn)為近乎應(yīng)變率無關(guān),而納米多晶體則顯示弱應(yīng)變率敏感性。高于該應(yīng)變率時,強度應(yīng)變率敏感性顯著增加。初始的壓縮變形對材料的拉伸斷裂破壞影響顯著。[001]晶向顯示獨特的八面體解理失效,而[110]和[111]晶向則傾向沿垂直加載方向斷裂失效。結(jié)合分子動力學(xué)結(jié)果和宏觀實驗數(shù)據(jù),擬合并提出了寬應(yīng)變率范圍內(nèi)SiC多晶體抗拉強度的應(yīng)變率強度模型。該模型對實驗應(yīng)變率水平下材料動態(tài)抗拉強度的預(yù)測十分吻合。(4)利用超大規(guī)模的分子動力學(xué)模擬研究了納米多晶SiC沖擊響應(yīng)受晶粒尺寸的影響�；诔売嬎銠C,通過高達2億原子的超大規(guī)模體系,實現(xiàn)了晶粒尺寸從2nm到32nm范圍材料的沖擊響應(yīng)模擬研究。詳盡分析了晶粒尺寸對納米多晶SiC材料沖擊Hugoniot曲線、沖擊塑性變形和沖擊結(jié)構(gòu)相變以及沖擊層裂等物理和力學(xué)行為的影響規(guī)律。
【圖文】：

設(shè)備、衛(wèi)星器件、車輛裝甲乃至單兵盔甲防護等領(lǐng)域[1-3]，，具有得天獨厚的發(fā)展前景。與此同時，其服役環(huán)境中常見的高溫、高壓、高應(yīng)變率現(xiàn)象也會對工程材料在如此極端條件下的動態(tài)物理力學(xué)性能的研究。事實上，隨活動和向外太空探索能力的提高和范圍的增加，人類對極高應(yīng)變率（大于（如圖 1-1）的研究興趣也與日俱增。（超）高速的碰撞行為、（超）高應(yīng)泛存在，例如高速行駛汽車高鐵的碰撞、裝甲的侵徹穿透、航空航天飛行星際物質(zhì)的碰撞以及各種爆炸類型[4-6]等。沖擊、碰撞速度可從每秒數(shù)十米百米，甚至數(shù)千米，在太空環(huán)境中更可高達 10km/s 以上[5,6]，環(huán)境溫度可增加到上千攝氏度，而且人類已經(jīng)可以實現(xiàn)高達 43 km/s 的超高發(fā)射速度端高溫高壓和高應(yīng)變率荷載作用下，材料物質(zhì)的物理和力學(xué)性質(zhì)往往會發(fā)下的顯著改變[8,9]。材料的壓縮變形將跨度彈性、塑性，甚至引發(fā)相變，從著材料的損傷演化和破壞行為特征。沖擊荷載在材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力波效態(tài)物理力學(xué)過程變得更加復(fù)雜。

接著納米孔或裂紋進一步生長和擴展，最終導(dǎo)致材料的失效。完美的晶體如單晶體可充分體現(xiàn)其物質(zhì)本身的特性，而含缺陷的晶體材料如多晶體則可體現(xiàn)微缺陷結(jié)構(gòu)對材料宏觀物理和力學(xué)性質(zhì)不可忽略的影響。對陶瓷材料而言，其晶體結(jié)結(jié)合鍵形式?jīng)Q定了它有很高的抗壓強度和硬度，但抗拉和抗剪切強度則相對更低，出明顯的脆性。傳統(tǒng)工程陶瓷往往含有大量的缺陷及不同程度的雜質(zhì)，使得其組織十分復(fù)雜，包括了主晶相、玻璃相和氣相。這很大程度上限制了陶瓷主晶相材料的發(fā)揮。這也是傳統(tǒng)陶瓷材料的實際強度與理論強度差異顯著的重要原因之一。隨著的發(fā)展，塊體硬質(zhì)單晶及納米陶瓷的出現(xiàn)和興起，被視為先進陶瓷家族中的一員。有著比傳統(tǒng)工程陶瓷更優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，將發(fā)揮更重要的作用。硬質(zhì)單晶陶指整體晶面空間取向完全一致的陶瓷晶體，原子結(jié)構(gòu)排列長程有序；而納米陶瓷則陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米水平，使得材強度、韌性和超塑性顯著提高，并對材料的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等性能產(chǎn)生重響，克服了傳統(tǒng)工程陶瓷的許多不足。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.758.12

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本文編號：2644898