【摘要】：材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為一直是沖擊動(dòng)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(jī)理則是近些年越來(lái)越受關(guān)注的熱點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)研究。本文主要通過(guò)分子動(dòng)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(xì)分析了其中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和涉及的微觀機(jī)理。主要的研究?jī)?nèi)容如下:(1)采用分子動(dòng)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(guò)模擬加載不同的粒子速度,研究沖擊強(qiáng)度對(duì)其變形、損傷和層裂破壞的影響。詳細(xì)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(xì)分析了沖擊產(chǎn)生的溫升對(duì)層裂破壞機(jī)制轉(zhuǎn)變的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著沖擊強(qiáng)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(jī)制。(2)采用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了高溫下SiC單晶的沖擊響應(yīng)特性。通過(guò)改變材料的初始環(huán)境溫度,研究了初始高溫對(duì)高熔點(diǎn)的SiC材料動(dòng)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(duì)比分析了初始高溫對(duì)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(qiáng)度等。(3)采用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了應(yīng)變率對(duì)SiC單晶及納米多晶體抗拉強(qiáng)度的影響。提出了“準(zhǔn)等熵加載”方法,近似等效地研究了材料的“層裂/斷裂”行為,實(shí)現(xiàn)了寬應(yīng)變率范圍(10~7-10~(12) s~(-1))內(nèi)SiC材料抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律的詳細(xì)研究。同時(shí),研究了單晶SiC中準(zhǔn)等熵壓縮下塑性和損傷和準(zhǔn)等熵拉伸斷裂強(qiáng)度和失效模式的各向異性,也對(duì)比分析了不同初始?jí)簯?yīng)變對(duì)后續(xù)準(zhǔn)等熵拉伸斷裂行為的影響。研究發(fā)現(xiàn),單晶SiC的抗拉強(qiáng)度具有各向異性且在低于10~(10)s~(-1)時(shí)表現(xiàn)為近乎應(yīng)變率無(wú)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(shí),強(qiáng)度應(yīng)變率敏感性顯著增加。初始的壓縮變形對(duì)材料的拉伸斷裂破壞影響顯著。[001]晶向顯示獨(dú)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(dòng)力學(xué)結(jié)果和宏觀實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的應(yīng)變率強(qiáng)度模型。該模型對(duì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率水平下材料動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)十分吻合。(4)利用超大規(guī)模的分子動(dòng)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�(jí)計(jì)算機(jī),通過(guò)高達(dá)2億原子的超大規(guī)模體系,實(shí)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(duì)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(hù)等領(lǐng)域[1-3]，，具有得天獨(dú)厚的發(fā)展前景。與此同時(shí)，其服役環(huán)境中常見(jiàn)的高溫、高壓、高應(yīng)變率現(xiàn)象也會(huì)對(duì)工程材料在如此極端條件下的動(dòng)態(tài)物理力學(xué)性能的研究。事實(shí)上，隨活動(dòng)和向外太空探索能力的提高和范圍的增加，人類對(duì)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(dá) 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(shí)現(xiàn)高達(dá) 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(huì)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(guò)程變得更加復(fù)雜。

接著納米孔或裂紋進(jìn)一步生長(zhǎng)和擴(kuò)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(duì)材料宏觀物理和力學(xué)性質(zhì)不可忽略的影響。對(duì)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(qiáng)度和硬度，但抗拉和抗剪切強(qiáng)度則相對(duì)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(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)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(jìn)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(zhǎng)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(qiáng)度、韌性和超塑性顯著提高，并對(duì)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ174.758.12

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李建光;張?chǎng)?;工程層裂準(zhǔn)則簡(jiǎn)要回顧[J];哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào);2012年06期

2 曹結(jié)東;李永池;;一種損傷演化方程的建立和幾種層裂準(zhǔn)則的推導(dǎo)[J];中國(guó)工程科學(xué);2006年01期

3 董玉斌,張萬(wàn)甲,經(jīng)福謙,韓鈞萬(wàn),陳大年,蘇林祥,封加波;動(dòng)態(tài)斷裂過(guò)程的數(shù)值分析及LY-12鋁的層裂[J];高壓物理學(xué)報(bào);1988年04期

4 董玉斌,蘇林祥,陳大年,經(jīng)福謙,韓鈞萬(wàn),封加波;滑移爆轟作用下內(nèi)爆柱形鋼殼層裂的數(shù)值研究[J];高壓物理學(xué)報(bào);1989年01期

5 陳永濤;洪仁楷;陳浩玉;胡海波;湯鐵鋼;;爆轟加載下金屬材料的微層裂現(xiàn)象[J];爆炸與沖擊;2017年01期

6 趙永強(qiáng);辛建婷;席濤;何衛(wèi)華;稅敏;儲(chǔ)根柏;范偉;谷渝秋;;強(qiáng)激光加載下材料微層裂過(guò)程研究進(jìn)展[J];激光雜志;2017年10期

7 陳大年;俞宇穎;尹志華;王煥然;劉國(guó)慶;;對(duì)于層裂強(qiáng)度傳統(tǒng)測(cè)定方法有效性的討論[J];工程力學(xué);2006年01期

8 李永池;曹結(jié)東;董杰;姚磊;;45~#鋼的損傷演化方程和層裂準(zhǔn)則研究[J];力學(xué)季刊;2006年02期

9 陳大年,俞宇穎,尹志華,王煥然,劉國(guó)慶;論層裂強(qiáng)度(英文)[J];寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版);2003年04期

10 鄭堅(jiān)，孫成友，黃風(fēng)雷，黃正平;45鋼層裂研究[J];爆炸與沖擊;1995年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 種濤;唐志平;譚福利;趙劍衡;;純鐵對(duì)稱碰撞中相變和層裂的數(shù)值模擬[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)-2015論文摘要集[C];2015年

2 鄭淼;黃勇;魏蘭;;聚心爆轟驅(qū)動(dòng)下金屬殼體層裂的數(shù)值模擬研究[A];第十三屆全國(guó)物理力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

3 王蒙;趙峰;陳黎亮;范端;朱俊;羅勝年;;微結(jié)構(gòu)對(duì)鎂合金沖擊層裂行為的影響[A];第十三屆全國(guó)物理力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

4 張鳳國(guó);秦承森;周洪強(qiáng);;不同層裂損傷演化方程的分析與比較[A];計(jì)算爆炸力學(xué)進(jìn)展[C];2006年

5 張鳳國(guó);;慣性及彈塑性效應(yīng)對(duì)延性金屬材料層裂損傷的影響[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)/2011年版[C];2011年

6 裴曉陽(yáng);;延性金屬層裂的研究進(jìn)展[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)(2012年版)[C];2012年

7 陳大年;譚華;俞宇寅;謝書(shū)港;王煥然;劉國(guó)慶;尹志華;;一種基于空穴聚集的層裂模型[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2005論文摘要集（上）[C];2005年

8 陶鋼;付源輝;崔艷麗;;紫銅板在爆炸加載下的層裂研究[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2005論文摘要集（上）[C];2005年

9 徐桂東;許伯強(qiáng);徐晨光;駱英;;壓電復(fù)合梁層裂損傷與超聲導(dǎo)波的相互作用研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)-2015論文摘要集[C];2015年

10 洪仁楷;陳永濤;陳浩玉;;爆轟加載下金屬材料微層裂現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)診斷[A];第十八屆中國(guó)高壓科學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議縮編文集[C];2016年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 梅茗;怎樣識(shí)別家庭貯備藥物變質(zhì)？[N];華北電力報(bào);2001年

2 ;藥品在哪些情況下不能使用[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2002年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李旺輝;極端條件下碳化硅的變形、損傷與破壞研究[D];華南理工大學(xué);2018年

2 董杰;復(fù)雜結(jié)構(gòu)在沖擊和振動(dòng)加載下動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

3 張磊;混凝土層裂強(qiáng)度的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

4 曹結(jié)東;含損傷熱粘塑性本構(gòu)數(shù)值算法和鋁鋰合金動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

5 俞宇穎;強(qiáng)沖擊載荷作用下LY12鋁合金的準(zhǔn)彈性卸載特性及層裂研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2006年

6 祁美蘭;高純鋁拉伸型動(dòng)態(tài)破壞的臨界行為研究[D];武漢理工大學(xué);2007年

7 張世文;復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料層裂特性影響的探索性研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2009年

8 秦昊;巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)制及沖擊礦壓機(jī)理研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2008年

9 郭品坤;煤與瓦斯突出層裂發(fā)展機(jī)制研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

10 徐薇薇;幾種基本構(gòu)件的沖擊相變響應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 姚宇;孔隙鋁在高應(yīng)變率加載下的變形和損傷[D];武漢理工大學(xué);2017年

2 陳超;超高韌性水泥基復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的數(shù)值模擬研究[D];浙江大學(xué);2018年

3 周朝陽(yáng);2014鋁合金層裂特性研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

4 廖禮;混凝土材料動(dòng)態(tài)間接拉伸和層裂試驗(yàn)的數(shù)值模擬[D];合肥工業(yè)大學(xué);2016年

5 吳青山;渝懷鐵路順層巖質(zhì)邊坡的爆破層裂效應(yīng)與減震技術(shù)研究[D];西南交通大學(xué);2004年

6 薛丹;基于近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的層裂問(wèn)題初步研究[D];武漢理工大學(xué);2016年

7 李曉培;嵌入式系統(tǒng)封裝層裂問(wèn)題的研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

8 顧文艷;薄膜激光層裂微成形的技術(shù)研究[D];江蘇大學(xué);2010年

9 闞劍平;激光層裂法檢測(cè)薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度有限元分析[D];江蘇大學(xué);2002年

10 翟少棟;氣炮加載和強(qiáng)激光加載下金屬鋁層裂行為的對(duì)照研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2015年

本文編號(hào)：2644898