盧天健、韓賓教授團隊《Int.?Mater. Rev.》綜述：約束效應增強陶瓷材料力學及抗彈性能

引言

陶瓷材料具有的獨特力、電和熱性能，使其在工程結構與電子裝備中展現出廣泛的應用價值。其中，具有低密度、高壓縮強度、高硬度的陶瓷材料應用于防彈領域已有50余年的歷史，并且逐漸成為高性能裝甲系統中的關鍵材料。但與傳統的金屬材料不同，陶瓷的壓縮強度遠高于拉伸強度，且通常展現出脆性的斷裂方式。更為重要的是，防彈陶瓷的力學性能與防彈性能會展現出極強的約束相關性。

近日《International Materials Reviews》刊發綜述文章《Confinement effects on compressive and ballistic performance of ceramics: a review》，對防彈陶瓷材料中的約束效應進行了評述。文章第一作者為西安交通大學張瑞博士，通訊作者為西安交通大學韓賓副教授與南京航空航天大學盧天健教授。

圖文導讀

文章系統地探討了各種約束形式對陶瓷的力學和彈道性能的影響，以及潛在的機理。?首先介紹了由缺陷引起的陶瓷脆性破壞，討論了陶瓷強度與約束壓力的關系：隨著約束壓力的增大，裂紋的形核和擴展受到抑制，從而在壓縮載荷下提高陶瓷強度，如果約束足夠高以防止過早的脆性破壞，則可能發生延性變形。還介紹了施加約束壓力的動靜態實驗技術，如液壓容器、平板撞擊、改進的霍普金森桿技術等。此外，總結了基于翼裂紋擴展的微機理模型，可很好地表征陶瓷壓縮強度與約束應力間的關系并揭示微觀作用機理。陶瓷的唯象本構模型則為實驗測得的強度與靜水壓力之間的經驗關系，適用于大規模的仿真計算。

圖：應力狀態控制的陶瓷壓縮行為

通過比較不同應力狀態下陶瓷的斷裂模式，發現陶瓷在單軸壓縮下的斷裂模式為軸向劈裂，在雙軸壓縮下出現板狀碎片，而在三軸壓縮下表現為剪切斷層。剪切斷層的兩個斷裂面之間可發生摩擦滑動，使陶瓷失效后仍具有一定的剩余強度，且約束壓力越大，剩余強度越大。由于陶瓷的低拉伸強度和低韌性，在受到彈丸撞擊后會表現出特定的損壞模式，如徑向裂紋、粉碎、錐形裂紋以及拉伸應力波引起的動態損傷等。相關研究發現，當陶瓷處于約束應力狀態下時，彈丸沖擊所造成的陶瓷破壞損傷程度更小。隨著預應力的增大，錐形和徑向裂紋可以得到有效抑制。

圖：約束對陶瓷斷裂損傷的影響

文章闡明了約束效應在增強陶瓷抗彈性能上發揮的作用。在裝甲系統中，約束形式通常為側向約束、蓋板約束以及施加預應力約束。其中對陶瓷施加蓋板和側向約束可以阻止陶瓷碎片的散射運動，并迫使陶瓷磨損彈丸。側向約束從本質上而言為邊界效應，應當具有與陶瓷材料類似的波阻抗，且當陶瓷橫向尺寸足夠大時側向約束效應可以忽略。此外，蓋板充當著緩沖層的作用，可有效減緩初始撞擊時陶瓷內部的壓力。進一步施加預應力可以提高陶瓷強度，限制陶瓷錐裂紋與徑向裂紋，并防止由拉伸應力波引起的陶瓷損傷。

圖：約束效應增強的陶瓷抗彈性能

約束陶瓷的設計理念已在若干重型裝甲系統中得到應用，以用來對抗具有超高速度與巨大動能的彈丸。最簡單的約束陶瓷裝甲形式由蓋板，側向約束，后面板和嵌入式陶瓷塊組成。基于此配置可進行若干改進，如在蓋板設計中加入石墨或軟銅，對陶瓷進行過盈配合，使用其他高性能材料等。由于陶瓷的約束效應對長桿彈的駐留現象起著重要作用，經過合理設計后，裝甲系統可在陶瓷表面截停彈丸。

圖：不同約束陶瓷裝甲結構示意圖

小結

文章綜述了防彈陶瓷材料壓縮、斷裂與抗彈性能中的約束效應，從而為研究人員和工程師進一步探索開發陶瓷材料和基于陶瓷的裝甲系統提供科學見解。文章的最后，作者指出了在基礎物理機制和實際應用方面的研究前景以及挑戰，為后續的研究提供了參考思路，以期陶瓷材料及其復合裝甲的研究有著更好的發展。

文章鏈接：https://doi.org/10.1080/09506608.2020.1830665

作者簡介

盧天健教授與韓賓副教授團隊長期從事于輕量化防護材料與結構設計、防彈抗爆領域研究工作，產出系列化成果。

課題組侵徹領域成果展示:（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.

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本文由作者團隊供稿。