韓國(guó)慶，張先鋒，談夢(mèng)婷，包 闊，李 逸

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

反裝甲武器的高速發(fā)展對(duì)坦克、裝甲車(chē)輛及武裝直升機(jī)等高戰(zhàn)略價(jià)值目標(biāo)的防護(hù)性能提出了更高的要求，尤其是裝甲車(chē)輛觀察窗口、武裝直升機(jī)擋風(fēng)玻璃及雷達(dá)天線罩等脆弱部位，在保證良好透光率的前提下，需盡可能地提高其抗彈能力。透明陶瓷具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫等特性。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)透明材料，透明陶瓷具有輕量化的特征，相同面密度下透明陶瓷往往具有更好的防護(hù)性能。典型的透明陶瓷材料有氧化鋁（AlO）、氮氧化鋁（AlON）、氧化釔（YO）、氟化鎂（MgF）等。除了具備優(yōu)異的抗沖擊性能外，釔鋁石榴石（YAG）透明陶瓷制備技術(shù)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，而鎂鋁尖晶石（MgAlO）透明陶瓷則具有密度低、透光性寬等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使得這兩種材料在透明裝甲中得到了廣泛應(yīng)用。

為推動(dòng)透明陶瓷在裝甲防護(hù)上的運(yùn)用，需對(duì)其沖擊破壞機(jī)理進(jìn)行深入研究。目前運(yùn)用較廣泛的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)方法主要有分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)、平板沖擊試驗(yàn)、Taylor 桿撞擊試驗(yàn)等。相較于其他測(cè)試方法，邊緣沖擊（edge-on impact, EOI）試驗(yàn)方法可以通過(guò)改變沖頭幾何形狀、尺寸及材料，控制動(dòng)態(tài)加載的輸入波形。由于EOI 試驗(yàn)中垂直于撞擊方向的材料厚度較小，因此可以結(jié)合材料的光彈特性，觀察材料受沖擊過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力的變化。同時(shí)，EOI 試驗(yàn)并不局限于陶瓷類(lèi)脆性材料，在混凝土及巖石等非均質(zhì)材料中均有應(yīng)用。這些優(yōu)勢(shì)使得EOI 試驗(yàn)成為研究材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)與裂紋擴(kuò)展的主流研究手段。此外，EOI 試驗(yàn)測(cè)得的材料破壞行為能在一等程度上反映陶瓷裝甲的抗侵徹破壞過(guò)程。相較于子彈侵徹陶瓷裝甲及破片撞擊陶瓷復(fù)合靶，EOI 試驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生著彈點(diǎn)附近的粉碎區(qū)、主裂紋擴(kuò)展區(qū)以及兩側(cè)的次裂紋區(qū)域。Strassburger 等開(kāi)展了柱形破片以20～1 000 m/s 速度撞擊SiC、TiB及AlO3 種陶瓷材料的EOI 試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)回收的碎片進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè)，對(duì)比了不同陶瓷的損傷演化特征。Strassburger將光彈技術(shù)與EOI 試驗(yàn)相結(jié)合，探索了EOI 試驗(yàn)中應(yīng)力波在AlON 透明陶瓷材料內(nèi)部的傳播規(guī)律。Grujicic 等基于大量的玻璃抗彈性能文獻(xiàn)，建立了鈉鈣玻璃（soda-lime glass）在高應(yīng)變率下的本構(gòu)模型，并通過(guò)EOI 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。國(guó)內(nèi)有關(guān)EOI 試驗(yàn)下陶瓷材料損傷演化過(guò)程的研究較少，楊岳峰等基于動(dòng)接觸力二步法及有限元原理，對(duì)SiC 陶瓷EOI 試驗(yàn)中的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。盡管相關(guān)學(xué)者針對(duì)EOI 試驗(yàn)開(kāi)展了數(shù)值模擬及損傷演化過(guò)程方面的研究，但是目前關(guān)于EOI 試驗(yàn)下傳統(tǒng)透明材料與透明陶瓷在宏觀尺度下破壞模式差異性的研究鮮有報(bào)道。

沖擊作用下，脆性材料在細(xì)觀尺度上的破壞特征往往可以反映材料本身的物理性能及損傷演化特性。陶瓷材料在細(xì)觀尺度下具有滑移、孿晶、斷裂等響應(yīng)形式。Subhash 等給出了BC 及ZrB-SiC 復(fù)合材料在靜動(dòng)態(tài)壓痕試驗(yàn)中斷口處細(xì)觀特征的差異，并與破片沖擊SiC 撞擊粉碎區(qū)內(nèi)的陶瓷碎片斷面上的細(xì)觀破壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)脆性材料的裂紋會(huì)由加工中的固有缺陷誘發(fā)產(chǎn)生。Ghosh 等在對(duì)ZrB-5%SiC 復(fù)合材料表面進(jìn)行納米劃痕試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于最大剪應(yīng)力的存在，劃痕前端將產(chǎn)生滑移帶；微裂紋則由于劃痕后方的最大拉應(yīng)力產(chǎn)生。包闊等在破片沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶試驗(yàn)中觀察到，隨著裂紋擴(kuò)展，徑向、環(huán)向和錐裂紋中沿晶斷裂比例會(huì)逐漸增大，且穿晶比例也會(huì)隨破片撞擊速度的提高而增加。但是，針對(duì)兩種典型透明陶瓷材料（YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷）在高速?zèng)_擊作用下細(xì)觀結(jié)構(gòu)的破壞響應(yīng)有何不同，還需進(jìn)行深入研究。

本文中，擬開(kāi)展3 種不同透明材料（普通浮法玻璃、YAG 透明陶瓷以及鎂鋁尖晶石透明陶瓷）在不同破片撞擊速度（200～300 m/s）下的EOI 試驗(yàn)。通過(guò)高速攝影捕獲的靶體沖擊破壞過(guò)程，計(jì)算裂紋擴(kuò)展速度；統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)后破片的破碎情況及粉碎區(qū)面積，分析浮法玻璃與透明陶瓷在宏觀尺度下破壞特征的差異；使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）對(duì)回收的樣品進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè)，分析YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷在細(xì)觀尺度下破壞特征的差異。

1 EOI 試驗(yàn)

1.1 彈靶材料

如圖1 所示，試驗(yàn)所用彈體為直徑9 mm、質(zhì)量5.7 g 的高硬度碳化鎢球型破片，具體參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)中破片沖擊速度為200～300 m/s。試驗(yàn)所用靶體分別為普通浮法玻璃、YAG 透明陶瓷及鎂鋁尖晶石透明陶瓷3 種材料，圖2 為鎂鋁尖晶石透明陶瓷靶體。將試驗(yàn)所用試樣的前后表面進(jìn)行拋光處理以便于高速攝影的拍攝。3 種材料中，YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷均由上海硅酸鹽研究所提供，具體參數(shù)如表2 所示，表中浮法玻璃的層裂強(qiáng)度為未測(cè)量參數(shù)。

表1 碳化鎢彈體尺寸及材料參數(shù)Table 1 Tungsten carbide projectile size and material parameters

表2 靶體尺寸和材料參數(shù)Table 2 Target size and material parameters

圖1 碳化鎢彈體Fig. 1 Tungsten carbide projectile

圖2 鎂鋁尖晶石透明陶瓷靶Fig. 2 A MgAl2O4 spinel transparent ceramic target

1.2 試驗(yàn)布局

圖3 為試驗(yàn)布局示意圖及靶體固定照片。使用9 mm 彈道槍作為試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由高壓氣瓶、發(fā)射室、槍管、回收箱及靶架等部分組成。試驗(yàn)過(guò)程中使用高壓氣體對(duì)破片進(jìn)行加速，并撞擊固定在靶架上的試樣。高速攝影機(jī)透過(guò)回收箱上的觀察窗拍攝撞擊過(guò)程中的破片沖擊及靶體破壞過(guò)程，分析不同速度破片撞擊各材料的損傷演化過(guò)程，拍攝幀頻為7.9×10～1.4×10s。

圖3 試驗(yàn)布局示意圖及靶體固定照片F(xiàn)ig. 3 Schematic of EOI test set up and target fixation

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

表3 為試驗(yàn)參數(shù)及彈體破碎情況，圖4 為高速攝影機(jī)拍攝的3 種材料（材料參數(shù)見(jiàn)表2）在破片沖擊下典型的破壞過(guò)程。從高速攝影結(jié)果來(lái)看，破片穩(wěn)定撞擊到靶體的側(cè)邊中心位置，如圖4 所示。通過(guò)回收撞擊后的破片，發(fā)現(xiàn)當(dāng)破片正撞擊玻璃材料時(shí)，未發(fā)生破碎現(xiàn)象；當(dāng)破片正撞擊YAG 透明陶瓷及鎂鋁尖晶石透明陶瓷的試樣邊緣時(shí)，破片均會(huì)發(fā)生破碎情況。這是由于透明陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度大于浮法玻璃的抗壓強(qiáng)度所導(dǎo)致的。由圖4 還可以看出，由于裂紋在不同材料中的傳播速度有所不同，導(dǎo)致3 種材料從開(kāi)始受到?jīng)_擊到完全破碎經(jīng)歷的時(shí)間存在差異。其中普通浮法玻璃在約100 μs 完成裂紋擴(kuò)展，YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷在約60 μs 完成裂紋擴(kuò)展。3 種材料受到破片撞擊后，均會(huì)在接觸區(qū)域產(chǎn)生粉碎區(qū)（高速攝影畫(huà)面中破片周?chē)牡陌咨吡羺^(qū)域）。高速撞擊使陶瓷產(chǎn)生大量粉末并向破片四周飛散。隨著時(shí)間的增加，3 種靶體的主裂紋擴(kuò)展速度均大于粉碎區(qū)的擴(kuò)展速度，而環(huán)形的粉碎區(qū)在某一時(shí)刻后不再向外擴(kuò)展。當(dāng)主裂紋擴(kuò)展到靶體邊緣后，靶體的破壞過(guò)程結(jié)束。

圖4 三種材料在破片沖擊下的破壞過(guò)程Fig. 4 Damage process of three transparent materials impacted by the tungsten carbide fragments

表3 試驗(yàn)參數(shù)及彈體破碎情況Table 3 Test parameters and fragmentation of the projectile

圖5 為碳化鎢破片以不同速度撞擊鎂鋁尖晶石透明陶瓷過(guò)程中的破碎情況，其破碎程度隨著撞擊速度的提高而增大。這與包闊等在破片沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶中破片均未發(fā)生破碎的現(xiàn)象存在明顯不同。這是由于陶瓷在破片撞擊方向上厚度的增加導(dǎo)致試樣整體剛度增強(qiáng)，進(jìn)而使破片在沖擊過(guò)程中發(fā)生破碎現(xiàn)象。

圖5 碳化鎢破片以不同速度撞擊鎂鋁尖晶石透明陶瓷的破碎情況Fig. 5 Fragmentation of tungsten carbide fragments impacting MgAl2O3 transparent ceramics with different impact velocities

試驗(yàn)后3 種靶體的破碎結(jié)果如圖6 所示，結(jié)合高速攝影及回收后的試樣碎片，發(fā)現(xiàn)浮法玻璃相較于透明陶瓷的粉碎程度更大，且玻璃的斷裂面相較于透明陶瓷顆粒感更加明顯。這說(shuō)明由于不同材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致破環(huán)特征存在差異。

圖6 回收試樣Fig. 6 Recovered samples

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)高速攝影捕獲的畫(huà)面，確定各時(shí)刻材料的粉碎區(qū)面積（）與裂紋擴(kuò)展距離，如圖7 所示。選擇撞擊結(jié)束時(shí)所有主裂紋中擴(kuò)展距離最長(zhǎng)、擴(kuò)展路徑最清晰的一條裂紋，將該裂紋的長(zhǎng)度定義為主裂紋擴(kuò)展距離（）。

圖7 粉碎區(qū)及主裂紋擴(kuò)展距離Fig. 7 Crush zone and main crack propagation distance

圖8 為粉碎區(qū)面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。其中YAG-1 與YAG-3 兩發(fā)試驗(yàn)由于破片撞擊時(shí)著靶點(diǎn)未在邊緣正中心，導(dǎo)致彈體發(fā)生偏撞擊，兩者的粉碎區(qū)面積與正撞擊相比誤差較大，因此未將其列入粉碎區(qū)面積分析結(jié)果中。從圖8 可以看出，隨著時(shí)間的增加，粉碎區(qū)面積逐漸增大，且增大速度逐漸變緩。兩種透明陶瓷材料粉碎區(qū)趨于穩(wěn)定的時(shí)間均比浮法玻璃材料的短，表明兩種陶瓷材料相較于玻璃能夠更快地吸收破片的撞擊動(dòng)能。對(duì)比3 種材料的最終粉碎區(qū)面積，發(fā)現(xiàn)浮法玻璃的最終粉碎區(qū)域最大，YAG 透明陶瓷次之，鎂鋁尖晶石透明陶瓷的最終粉碎區(qū)域最小。與彈丸侵徹陶瓷靶板情況類(lèi)似，材料所承受的最大應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限時(shí)，將導(dǎo)致粉碎區(qū)域的產(chǎn)生。圖9 為主裂紋擴(kuò)展距離與時(shí)間的關(guān)系，將裂紋擴(kuò)展距離擬合為過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，可以發(fā)現(xiàn)，3 種材料的主裂紋擴(kuò)展速度基本恒定，且擬合直線的斜率即為主裂紋的擴(kuò)展速度。同樣由于YAG-1 試驗(yàn)破片著靶點(diǎn)未在邊緣正中心，導(dǎo)致彈體發(fā)生偏折，因此其裂紋擴(kuò)展速度較YAG-2、YAG-3 略有偏差。通過(guò)擬合可得，浮法玻璃、YAG 透明陶瓷、鎂鋁尖晶石透明陶瓷的裂紋擴(kuò)展速度分別為1 428.0、1 999.3、2 090.8 m/s。由于主裂紋基本為Ⅰ型裂紋，其裂紋產(chǎn)生與材料的斷裂韌性密切相關(guān)。3 種材料斷裂韌性的差異導(dǎo)致主裂紋擴(kuò)展速度不同。在200～300 m/s 撞擊速度范圍內(nèi)，不同撞擊速度下，同種材料的主裂紋擴(kuò)展速度并無(wú)顯著差異。這與Strassburger 等對(duì)SiC 陶瓷的EOI 試驗(yàn)的研究結(jié)果類(lèi)似。在較低的破片撞擊速度范圍內(nèi)，SiC 陶瓷平均主裂紋傳播速度隨撞擊速度的提高出現(xiàn)較明顯的“平臺(tái)段”。

圖8 粉碎區(qū)面積隨撞擊時(shí)間的演化Fig. 8 Evolution of the crushing zone area with impact time

圖9 主裂紋擴(kuò)展距離隨時(shí)間演化過(guò)程Fig. 9 Distance of the main crack propagation as a function of impact time

2 透明材料邊緣沖擊宏觀破壞特征分析

圖10 EOI 試驗(yàn)中波以及裂紋擴(kuò)展示意圖Fig. 10 Schematic of wave and crack propagation in a plate caused by EOI test

圖11 超白玻璃的球型破片EOI 試驗(yàn)[5]Fig. 11 EOI test on starphire glass with steel sphere[5]

分別定義浮法玻璃與透明陶瓷破壞過(guò)程中的損傷特征。如圖12 所示，浮法玻璃在破片撞擊初始階段會(huì)產(chǎn)生環(huán)形的粉碎區(qū)，粉碎區(qū)前方伴有少量主裂紋，同時(shí)在粉碎區(qū)兩側(cè)會(huì)有十分明顯的次裂紋區(qū)域。隨著時(shí)間的增加，粉碎區(qū)不再延伸，主裂紋將繼續(xù)向外擴(kuò)展直至試樣邊緣，整個(gè)沖擊破壞過(guò)程基本結(jié)束。浮法玻璃容易在主裂紋過(guò)于密集的地方形成新的粉碎區(qū)。同時(shí)，相較于透明陶瓷材料，其主裂紋斷裂面在擴(kuò)展過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變向，導(dǎo)致斷裂面不再垂直于材料上表面，反映到高速攝影結(jié)果上為主裂紋變成一條白色高亮的“斷裂帶”。次裂紋區(qū)域的產(chǎn)生是由于破片撞擊玻璃邊緣時(shí)，在試樣表面產(chǎn)生的Rayleigh 波及橫向應(yīng)力波共同作用導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)比不同撞擊速度下浮法玻璃中次裂紋區(qū)域的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)隨著破片撞擊速度的提升，次裂紋區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大至試樣的上下邊緣，如圖13 所示。通過(guò)對(duì)沖擊過(guò)程中應(yīng)力波的傳播進(jìn)行分析，可以得到次裂紋區(qū)域尖端到破片撞擊初始點(diǎn)的距離的擴(kuò)展速度，即為材料的橫波波速。對(duì)浮法玻璃的3 組高速攝影結(jié)果進(jìn)行分析，得到浮法玻璃的次裂紋尖端擴(kuò)展速度為3 372 m/s，浮法玻璃的橫波波速一般約為3 500 m/s，表明理論分析具有可靠性。

圖12 浮法玻璃(Glass-1)在EOI 試驗(yàn)下的破壞特征Fig. 12 Failure characteristics of float glass (Glass-1) under EOI test

圖13 浮法玻璃（Glass-2）的次裂紋區(qū)域沿邊緣擴(kuò)展Fig. 13 Secondary crack zone of float glass (Glass-2)extends along the edge with higher velocity

隨著撞擊過(guò)程的繼續(xù)，應(yīng)力波在試樣中的傳播如圖14 所示，當(dāng)傳播速度較快的縱波L 到達(dá)試樣的上下邊緣時(shí)會(huì)發(fā)生反射，產(chǎn)生拉伸縱波L。如圖15 所示，相較于浮法玻璃，透明陶瓷材料在受到破片撞擊的初始階段同樣會(huì)在撞擊點(diǎn)附近產(chǎn)生環(huán)狀的粉碎區(qū)域，環(huán)形粉碎區(qū)前方伴有主裂紋產(chǎn)生，且主裂紋并非呈直線擴(kuò)展，而是發(fā)生“彎折”。該現(xiàn)象可能是由于陶瓷試樣上下表面的邊界效應(yīng)所造成，具體的主裂紋“彎折”機(jī)理還需利用大尺寸靶體開(kāi)展進(jìn)一步研究。同時(shí)，在粉碎區(qū)兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)較明顯的次裂紋擴(kuò)展，這是由于陶瓷材料強(qiáng)度高于浮法玻璃，在較低的破片撞擊速度下，單純的Rayleigh 波及橫波并不能使陶瓷產(chǎn)生明顯的次裂紋區(qū)。當(dāng)反射的拉伸縱波L與橫波T 相互疊加，如圖14 中的以及區(qū)域。2 種波疊加作用使得陶瓷邊緣產(chǎn)生次裂紋簇，而非三角形的次裂紋區(qū)域。與浮法玻璃的裂紋變向不同，透明陶瓷的主裂紋與次裂紋在傳播過(guò)程中極易在裂紋末端發(fā)生分叉現(xiàn)象，這種宏觀斷裂現(xiàn)象使陶瓷產(chǎn)生類(lèi)似于破片沖擊試驗(yàn)下的環(huán)向裂紋斷裂面與徑向裂紋斷裂面。從回收的試樣與高速攝影結(jié)果分析，相較于浮法玻璃，透明陶瓷材料試樣在粉碎區(qū)內(nèi)均勻性破碎為小塊無(wú)規(guī)則的碎片。

圖14 EOI 試驗(yàn)中縱波的反射Fig. 14 Reflecton of longitudinal waves in the EOI test

圖15 透明陶瓷(Spinel-1)在EOI 試驗(yàn)下的破壞特征Fig. 15 Failure characteristics of transparent ceramics (Spinel-1) under EOI test

3 透明陶瓷材料邊緣沖擊細(xì)觀破壞特征分析

雖然兩種透明陶瓷材料在宏觀尺度上的破壞特征類(lèi)似，但由于二者在晶格結(jié)構(gòu)、制備工藝及微觀結(jié)構(gòu)等方面存在較大差異，使兩種透明陶瓷反映到細(xì)觀尺度上的破壞有所不同。通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)EOI 試驗(yàn)后回收的陶瓷碎片進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè)，比較兩種透明陶瓷材料受破片沖擊后其細(xì)觀破壞特征的差異。選取陶瓷破碎過(guò)程中粉碎區(qū)內(nèi)碎片的層裂裂紋斷面、粉碎區(qū)外碎片的徑向裂紋斷面及環(huán)向裂紋斷面進(jìn)行細(xì)觀觀測(cè)，如圖16 所示。

圖16 鎂鋁尖晶石透明陶瓷與YAG 透明陶瓷中被測(cè)碎片的位置Fig. 16 Location of fragments in the MgAl2O3 spinel ceramics and YAG ceramics

圖17 為YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷裂紋斷面在細(xì)觀尺度上的典型特征，兩種透明陶瓷材料無(wú)論在徑向裂紋斷面、環(huán)向裂紋斷面及層裂裂紋斷面上均可以觀察到處的沿晶斷裂、處的穿晶斷裂以及處的滑移帶3 種典型斷裂特征。如圖18 所示，在EOI 試驗(yàn)中，YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷在徑向裂紋斷裂面上均會(huì)從自由面邊緣的穿晶斷裂較多逐步向斷面中心過(guò)渡為沿晶和穿晶混合斷裂，在某些區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)沿晶穿晶分界線。這與包闊等在破片沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶板中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律類(lèi)似。但是這種過(guò)渡在2 種材料的環(huán)向裂紋斷面上表現(xiàn)得并不明顯，環(huán)向裂紋斷面的大部分區(qū)域均為沿晶與穿晶混合斷裂的細(xì)觀特征。

圖17 鎂鋁尖晶石透明陶瓷與YAG 透明陶瓷斷面典型細(xì)觀特征Fig. 17 Typical fracture characteristics of cross-sections of MgAl2O3 spinel transparent ceramic and YAG transparent ceramic

圖18 YAG 透明陶瓷碎片（①）與鎂鋁尖晶石透明陶瓷（③）徑向及環(huán)向斷裂面上沿晶及穿晶變化Fig. 18 Intergranular with transgranular changes of YAG transparent ceramics (①) and MgAl2O3 spinel transparent ceramics (③)on the radial and ring fracture surfaces

無(wú)論在徑向裂紋斷裂面還是環(huán)向裂紋斷裂面上，YAG 透明陶瓷相較于鎂鋁尖晶石透明陶瓷均會(huì)產(chǎn)生晶體的“剝落”現(xiàn)象，反映在SEM 圖像上即為黑色的“凹坑”，如圖19～20 所示。這種晶體的“剝落”現(xiàn)象會(huì)隨著距破片撞擊位置距離的減小而逐漸增大，甚至產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。這表明YAG 透明陶瓷的晶界結(jié)合力不及鎂鋁尖晶石透明陶瓷強(qiáng)。如圖21 所示，鎂鋁尖晶石透明陶瓷在穿晶斷裂中，往往會(huì)產(chǎn)生鋸齒狀的斷裂特征，對(duì)比 YAG 透明陶瓷的穿晶斷裂則較平滑。對(duì)于兩種材料在穿晶斷裂特征上的區(qū)別，如圖21 所示，通過(guò)調(diào)整SEM 圖像的觀測(cè)倍數(shù)，發(fā)現(xiàn)鎂鋁尖晶石透明陶瓷在穿晶斷裂中，往往會(huì)產(chǎn)生鋸齒狀的斷裂特征，對(duì)比 YAG 透明陶瓷的穿晶斷裂則較平滑。

圖19 鎂鋁尖晶石透明陶瓷穿晶斷裂Fig. 19 Transgranular fracture in MgAl2O3 spinel transparent ceramics

圖20 YAG 透明陶瓷晶體“剝落”現(xiàn)象Fig. 20 Peeling-off phenomenon in YAG transparent ceramic crystal

圖21 鎂鋁尖晶石透明陶瓷與YAG 透明陶瓷的穿晶斷裂Fig. 21 Transgranular fracture in MgAl2O3 spinel transparent ceramics and YAG transparent ceramics

4 結(jié) 論

開(kāi)展了球型碳化鎢破片在撞擊速度為200～300 m/s 范圍內(nèi)浮法玻璃、YAG 透明陶瓷和鎂鋁尖晶石透明陶瓷的EOI 試驗(yàn)。通過(guò)高速攝影獲得3 種材料的沖擊破壞及損傷演化過(guò)程，計(jì)算了3 種材料粉碎區(qū)面積、主裂紋擴(kuò)展距離隨撞擊時(shí)間的變化規(guī)律；對(duì)比了浮法玻璃與透明陶瓷在宏觀破壞特性上的區(qū)別。對(duì)撞擊后的陶瓷碎片進(jìn)行回收，通過(guò)掃描電鏡觀察了YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷徑向裂紋面、環(huán)向裂紋面及層裂裂紋面在細(xì)觀尺度上的破壞特征，得到如下主要結(jié)論。

（1）EOI 試驗(yàn)中，浮法玻璃的粉碎區(qū)面積最大，其次為YAG 透明陶瓷，鎂鋁尖晶石透明陶瓷的粉碎區(qū)最小。3 種材料的主裂紋擴(kuò)展速度為恒定值，且在200～300 m/s 破片撞擊速度范圍內(nèi)，同種材料的主裂紋擴(kuò)展速度與撞擊速度的關(guān)聯(lián)性不大。

（2）浮法玻璃與透明陶瓷在EOI 試驗(yàn)中宏觀破壞特性存在明顯差異：浮法玻璃會(huì)在粉碎區(qū)兩端產(chǎn)生較明顯的三角形次裂紋區(qū)，其主裂紋會(huì)出現(xiàn)“變向”擴(kuò)展。而透明陶瓷的主裂紋在傳播過(guò)程中有明顯的“分叉”現(xiàn)象，且會(huì)產(chǎn)生少量細(xì)長(zhǎng)狀次裂紋簇。

（3）YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷的徑向裂紋、環(huán)向裂紋及層裂裂紋斷面在細(xì)觀上會(huì)呈現(xiàn)不同的破壞特征，2 種材料徑向裂紋面上的沿晶與穿晶比例會(huì)隨著其距陶瓷自由面的遠(yuǎn)近發(fā)生改變，由靠近自由面的沿晶斷裂逐漸變化為斷裂面中心的沿晶與穿晶混合分布。而在2 種材料的環(huán)向裂紋面的大部分區(qū)域上均為沿晶穿晶混合分布；同時(shí)YAG 透明陶瓷在沿晶斷裂區(qū)域會(huì)產(chǎn)生晶體“剝落”現(xiàn)象，而鎂鋁尖晶石透明陶瓷在穿晶斷裂面上呈現(xiàn)鋸齒狀的斷裂特征。