【摘 要】
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随着军用及民用航空航天技术的不断发展,对空天装甲防护材料性能的要求也越来越高。近年来,Ti-Al3Ti层状复合板材作为一种新型轻质结构材料进入了人们的视线。然而由于金属间化合物Al3Ti的室温塑性、韧性太低及高温强度不足,造成其承载的局限性,使得Ti-Al3Ti层状复合板材在实际防护应用上受到了极大的限制。因此,亟需研制一种高强度、高韧性、低密度的轻质复合材料,来满足航空航天工程领域对装甲防护板材
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随着军用及民用航空航天技术的不断发展,对空天装甲防护材料性能的要求也越来越高。近年来,Ti-Al3Ti层状复合板材作为一种新型轻质结构材料进入了人们的视线。然而由于金属间化合物Al3Ti的室温塑性、韧性太低及高温强度不足,造成其承载的局限性,使得Ti-Al3Ti层状复合板材在实际防护应用上受到了极大的限制。因此,亟需研制一种高强度、高韧性、低密度的轻质复合材料,来满足航空航天工程领域对装甲防护板材性能的要求。此外,针对Ti-Al3Ti层状复合板材这一类非均质材料的弹塑性接触问题,目前的仿真研究大多是基于有限元法,模型较为复杂且计算效率较低,需要一种高效且精准的数值模型以便开展大量的力学仿真参数化研究。本文旨在通过连续陶瓷纤维增强和韧性金属层增强相结合的方法,改善金属间化合物Al3Ti的强度与室温塑性,并通过各种表征方法与力学试验,从多角度研究这种新型的陶瓷纤维增强“金属-金属间化合物”层状（CCFR-MIL,continuous-ceramic-fiber-reinforcedmetal-intermetallic-laminated）复合板材的微观组织形貌、机械力学性能、纤维增强及材料失效机理。针对复合板材的弹塑性接触问题进行力学建模,并通过大量力学仿真试验讨论了最优的微观结构参数,从而强化了该类纤维增层状复合板材的接触抗压能力等装甲防护性能。本文以Al箔、Ti箔和连续SiC陶瓷纤维为原材料,采用真空热压烧结技术制备了组织致密且界面结合优异的Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材,通过反复实验确定了最佳烧结温度为660℃,反应时间为5h,复合板材成形后施加压力为2.0MPa。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及能谱仪,系统研究了 Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材的微观组织形貌,热压烧结的反应产物,各物相的比例、晶体结构、元素种类及分布。发现所制备的复合板材内部各层平直且厚度均匀,层间界面清晰、结合良好。通过纳米压痕、室温拉伸、准静态/动态压缩、球面压缩等试验测试了 Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材的机械力学性能,结果表明,其强度和塑性均优于无纤维增强的Ti-Al3Ti层状复合板材。通过断口分析对复合板材变形过程中的裂纹和应变信息进行跟踪与分析,进而揭示了复合板材的变形行为与断裂机制。Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材的失效主要涉及以下过程:首先,裂纹在Al3Ti中萌生、扩展;随后,扩展的裂纹受到Ti层及SiC纤维的阻碍,发生偏转和分叉,造成层间开裂、纤维脱粘;最终,SiC纤维拔出并断裂,Al3Ti层碎裂,Ti/Al3Ti层间分离,Ti层弯曲或断裂。以上失效方式均可提高裂纹扩展阻力、增加裂纹扩展路径和路程,消耗大量的断裂能,从而提高了复合板材的结构强度、室温塑性等力学性能。针对Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材这类非均质材料的弹塑性“球-面”点接触问题,基于等效夹杂法、弹塑性接触力学、迭代数值计算方法,建立了非均质材料弹塑性耦合半解析接触力学模型,并提出了采用并行计算技术的快速求解方案,将传统的等效夹杂法扩展为包含数值解法的数值等效夹杂法。并通过有限元模型和宏观压缩压痕实验,从不同角度验证了该力学模型在求解精度及计算效率上的优势。对Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材的“球-面”接触问题进行了大量的力学仿真试验,深入研究了复合板材的微观结构参数对塑性变形、Mises应力分布、纤维强化及材料失效机理等力学行为的影响,并以此为依据提出了最优的微观结构参数,从而强化了 Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材的接触力学性能。其中,被讨论研究的微观结构参数包括Ti层体积分数、孔洞缺陷几何位置、SiC纤维列个数、同一列中SiC纤维的尺寸和间距等。此外,通过观察力学仿真结果发现,SiC纤维的引入有效增大了 Ti-Al3Ti层状复合板材的结构强度。本文完成的创新性工作主要包括:（1）设计并制备了高强度、塑性良好的Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材;（2）建立了纤维增强层状复合板材的非均质弹塑性耦合半解析接触力学模型;（3）提出了 Ti-（SiCf/Al3Ti）纤维增强层状复合板材的最优微观结构参数。
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