本项目以氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）为研究对象，采用实验、理论分析和数值模拟相结合的方法研究了增韧陶瓷的破坏特性、本构模型、增韧机理、声发射特性和增韧陶瓷的抗侵彻特性。主要研究工作和成果如下： 1）对热压烧结法制备的三种陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力学性能和增韧机制进行了实验和理论研究。结果表明，ZrO2的加入细化了基体Al2O3晶粒，ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高。三种陶瓷试件的破坏呈现小变形到脆性破坏的特点，压缩加载下应力-应变曲线近似为线性关系。AD995陶瓷的断裂韧性为5.65MPa•m1/2，25% ZrO2/Al2O3陶瓷的断裂韧性为8.42MPa•m1/2，提高了近50%。基于复合材料细观力学理论并考虑ZrO2的相变特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力学性能的本构模型。模型预测结果显示，随ZrO2增韧相含量的增加，ZrO2/Al2O3陶瓷的杨氏模量降低而断裂韧性增加，这一变化趋势与实验结果有良好的一致性。 2）采用改进的SHPB实验装置对ZTA陶瓷的动力学响应和破坏特性进行了研究。获得了ZTA陶瓷在较高应变率范围内的动态应力应变曲线；结果显示，ZTA陶瓷动力学特性有明显的应变率效应，动态抗压强度随应变率增加而提高，同时应力应变曲线呈现明显的非线性特征；单轴加载下，随着应变率的提高，ZTA陶瓷的破坏呈现出了从劈裂破坏到散体破坏的状态。 3）利用先进的声发射系统研究了强脆性陶瓷材料压缩破坏的损伤变化过程，将采集到的声发射信号进行小波分解分析了声发射信号的频率特征。结果表明，加载初期，材料损伤主要由微裂纹成核为主导，产生大量低幅值(<40dB)信号；而加载后期的高幅值信号(>80 dB)主要由微裂纹扩展或汇合产生。脆性材料失稳破坏阶段信号能量特征值呈现出低频段P1急剧升高、高频段P2急剧下降的特点，即失稳破坏时产生低频信号。结合裂纹源的尺度与声发射信号频率成相反的关系，揭示了尺度较大的微裂纹扩展或汇合是导致材料失稳破坏的主要机制。 4）采用有限元程序数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性，结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数；建立聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型，对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究。

陶瓷基复合材料的研制与应用将是复合装甲材料的总趋势，开展增韧陶瓷材料的动力学响应、破坏特性、动态本构模型、失效特性的研究都是分析增韧陶瓷装甲抗侵彻性能的关键因素。研究内容有：（1）利用材料实验机、分离式霍普金森压杆和轻气炮实验装置对增韧陶瓷试件实施准静态、低、高应变率下的压缩实验，测量材料压缩强度、屈服强度等材料性能参数，得到材料在较宽应变率范围内完整的应力应变曲线，进一步分析增韧陶瓷材料的应变率效应、动力学响应和破坏特性。（2）利用声发射技术、扫描电镜等对实验后的试件进行测试，分析试件内部微观结构的破坏特征和增韧机制。（3）考虑应变率、损伤的影响，建立能准确描述增韧陶瓷材料的动力学行为的动态本构模型。（4）利用自行开发的多物质流体程序对增韧陶瓷材料抗侵彻问题进行数值模拟，来验证和完善理论模型；为提高增韧陶瓷材料的抗侵彻能力，为新型陶瓷装甲的设计提供理论依据和技术支撑。

一、氧化锆增韧

对氧化铝陶瓷的增韧是使用最多的增韧方法是ZrO2（VK-R30）增韧。当氧化铝中加入纯Zr0（VK-R30），粒子形成ZrO2增韧氧化铝陶瓷时，当添加含量适当时，可使韧性显著提高。其韧化效果主要来源于以下机理：1.使氧化铝晶粒基体细化。2. 氧化锆相变韧化。3.显微裂纹韧化。4. 裂纹转向与分叉。

商用高纯氧化铝陶瓷与ZrO2（VK-R30）增韧氧化铝陶瓷力学性能对比

99%氧化铝陶瓷 氧化锆增韧氧化铝陶瓷

密度 3.85 3.93

抗折强度 350MPa 480MPa

抗压强度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗冲击强度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶须、纤维增韧

晶须是具有一定长径比(直径0.1—1.8 um，长35-l50um)，且缺陷少的陶瓷单晶。具有很高的强度，是一种非常好的陶瓷基复合材料的增韧增强体；纤维长度较陶瓷晶须长数倍，也是一种很好的陶瓷增韧体，同时两者可复合实用。用SiC、Si3N4等晶须或C、SiC等长纤维对氧化铝陶瓷进行复合增韧。晶须或纤维的加入可以增加断裂表面，即增加了裂纹的扩展通道。当裂纹扩展的剩余能量渗入到纤维(晶须)，发生纤维(晶须)的拔出、脱粘和断裂时，导致断裂能被消耗或裂纹扩展方向发生偏转等，从而使复合材料韧性得到提高。但当晶须、纤维含量较高时，由于其拱桥效应而使致密化变得困难，从而引起密度的下降和性能下降。

三、颗粒增韧

在氧化铝材料中加入一定粒度的具有高弹性模量的颗粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料断裂时促使裂纹发生偏转和分叉，消耗断裂能，从而提高韧性。尽管颗粒增韧效果不如晶须、纤维，但用颗粒作为增韧剂制作颗粒增韧陶瓷基复合材料，其原料混合均匀化及烧结致密化都比纤维、品须复合材料简便易行。纳米颗粒复相陶瓷是在陶瓷基体中引入纳米级的第二相增强粒子，通常小于0.3um，可使材料的室温和高温性能大幅度提高，特别是强度值，上升幅度更大。

四、 氧化铝自增韧

采用纳米级的氧化铝粉末制备的陶瓷不加增塑剂仍旧在低温下显出极好的超塑性。纳米原料对改善陶瓷晶粒的形状、品界特性等起到了很好的效果。通过合理选择成分及工艺，使一部分氧化铝晶粒在烧结中原位发育成具有较高长径比的柱状晶粒，从而获得晶须的一种增韧机制。这也称为原位增韧，这种技术消除了基体相与增强相界面的不相容性，保证了基体相与增强。

相的热力学稳定，并使界面干净，结合良好。

另外，控制显微结构；改变晶粒形状、粒径、品界特性、气孔率等提高其断裂韧性；使用亚微细且各向分布均匀氧化铝；提高氧化铝粉纯度，改善组织结构。这些都是增加氧化铝陶瓷韧性的有效手段。

市场上最常见的几种增韧母料有：

（1）丁苯橡胶（SBS）：与PS，PP，PE，ABS，PBT等塑料都有良好的相容性。

（2）POE和EVA：在增韧效果上具有一定的相互替代性，在PP、PE的一般增韧应用中很多厂家主要考虑成本因素来选用。在PP的增韧效果上一般POE要略优于EVA。POE和EVA的某些不同特性适合产品除增韧外其他特殊的性能要求。在薄膜应用中，EVA具有较好的阻隔性，而POE一般没有；EVA可以提高PP的印染效果，但会降低耐老化性，而POE具有良好的耐老化性和优异的耐热性和耐寒性；POE的单位密度较小，体积价格低廉。

（3）高胶粉：化学结构 苯乙烯、丙烯晴－丁二烯橡胶，核壳型聚合物。

增刚增韧母料中的ST11主要用于HDPE水管、波纹管、吹塑托盘、中空容器、塑料周转箱等塑料制品（用量30-50%）。可提高制品冲击强度2~3倍，刚度提高~30%，降低塑料制品生产成本。