卢天健、韩宾教授团队《Int. Mater. Rev.》综述：约束效应增强陶瓷材料力学及抗弹性能

引言

陶瓷材料具有的独特力、电和热性能，使其在工程结构与电子装备中展现出广泛的应用价值。其中，具有低密度、高压缩强度、高硬度的陶瓷材料应用于防弹领域已有50余年的历史，并且逐渐成为高性能装甲系统中的关键材料。但与传统的金属材料不同，陶瓷的压缩强度远高于拉伸强度，且通常展现出脆性的断裂方式。更为重要的是，防弹陶瓷的力学性能与防弹性能会展现出极强的约束相关性。

近日《International Materials Reviews》刊发综述文章《Confinement effects on compressive and ballistic performance of ceramics: a review》，对防弹陶瓷材料中的约束效应进行了评述。文章第一作者为西安交通大学张瑞博士，通讯作者为西安交通大学韩宾副教授与南京航空航天大学卢天健教授。

图文导读

文章系统地探讨了各种约束形式对陶瓷的力学和弹道性能的影响，以及潜在的机理。 首先介绍了由缺陷引起的陶瓷脆性破坏，讨论了陶瓷强度与约束压力的关系：随着约束压力的增大，裂纹的形核和扩展受到抑制，从而在压缩载荷下提高陶瓷强度，如果约束足够高以防止过早的脆性破坏，则可能发生延性变形。还介绍了施加约束压力的动静态实验技术，如液压容器、平板撞击、改进的霍普金森杆技术等。此外，总结了基于翼裂纹扩展的微机理模型，可很好地表征陶瓷压缩强度与约束应力间的关系并揭示微观作用机理。陶瓷的唯象本构模型则为实验测得的强度与静水压力之间的经验关系，适用于大规模的仿真计算。

图：应力状态控制的陶瓷压缩行为

通过比较不同应力状态下陶瓷的断裂模式，发现陶瓷在单轴压缩下的断裂模式为轴向劈裂，在双轴压缩下出现板状碎片，而在三轴压缩下表现为剪切断层。剪切断层的两个断裂面之间可发生摩擦滑动，使陶瓷失效后仍具有一定的剩余强度，且约束压力越大，剩余强度越大。由于陶瓷的低拉伸强度和低韧性，在受到弹丸撞击后会表现出特定的损坏模式，如径向裂纹、粉碎、锥形裂纹以及拉伸应力波引起的动态损伤等。相关研究发现，当陶瓷处于约束应力状态下时，弹丸冲击所造成的陶瓷破坏损伤程度更小。随着预应力的增大，锥形和径向裂纹可以得到有效抑制。

图：约束对陶瓷断裂损伤的影响

文章阐明了约束效应在增强陶瓷抗弹性能上发挥的作用。在装甲系统中，约束形式通常为侧向约束、盖板约束以及施加预应力约束。其中对陶瓷施加盖板和侧向约束可以阻止陶瓷碎片的散射运动，并迫使陶瓷磨损弹丸。侧向约束从本质上而言为边界效应，应当具有与陶瓷材料类似的波阻抗，且当陶瓷横向尺寸足够大时侧向约束效应可以忽略。此外，盖板充当着缓冲层的作用，可有效减缓初始撞击时陶瓷内部的压力。进一步施加预应力可以提高陶瓷强度，限制陶瓷锥裂纹与径向裂纹，并防止由拉伸应力波引起的陶瓷损伤。

图：约束效应增强的陶瓷抗弹性能

约束陶瓷的设计理念已在若干重型装甲系统中得到应用，以用来对抗具有超高速度与巨大动能的弹丸。最简单的约束陶瓷装甲形式由盖板，侧向约束，后面板和嵌入式陶瓷块组成。基于此配置可进行若干改进，如在盖板设计中加入石墨或软铜，对陶瓷进行过盈配合，使用其他高性能材料等。由于陶瓷的约束效应对长杆弹的驻留现象起着重要作用，经过合理设计后，装甲系统可在陶瓷表面截停弹丸。

图：不同约束陶瓷装甲结构示意图

小结

文章综述了防弹陶瓷材料压缩、断裂与抗弹性能中的约束效应，从而为研究人员和工程师进一步探索开发陶瓷材料和基于陶瓷的装甲系统提供科学见解。文章的最后，作者指出了在基础物理机制和实际应用方面的研究前景以及挑战，为后续的研究提供了参考思路，以期陶瓷材料及其复合装甲的研究有着更好的发展。

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

作者简介

卢天健教授与韩宾副教授团队长期从事于轻量化防护材料与结构设计、防弹抗爆领域研究工作，产出系列化成果。

课题组侵彻领域成果展示:（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.

本文由作者团队供稿。