En simulering av en laboratorieprojektil som påverkar keramik med polykarbonat som visar skador i keramiken. Kredit:US Army Research Laboratory
US Army Research Laboratory arbetar med att utveckla nya lätta keramiska material som motstår fraktur, och har samarbetat med forskare från University of Florida för att bättre förstå exakt hur dessa material, som är lämpade för soldatskydd och armésystem, fraktur, och hur de kan förbättras ytterligare. De fokuserar på misslyckande genom sprickbildning; materialet sönderfaller så småningom till ett granulärt tillstånd genom en process som kallas finfördelning.
"Medan olika keramiska material har hög hårdhet, de misslyckas lätt när de dras isär. Det är, när de utsätts för dragkrafter. Mängden spänning som dessa material kan motstå innan de går sönder, är en liten bråkdel av den kompression de tål. Som ett resultat, höghastighetspåverkan av kulor och fragment orsakar omfattande sprickbildning och fragmentering av materialet, minska dess förmåga att fullt ut utnyttja sin överlägsna hårdhet för att motstå komplexa spänningstillstånd som genereras av kollisionshändelsen, " förklarade Dr Sikhanda Satapathy, av ARL:s gren för soldatskyddsvetenskap.
Traditionellt, förhållandet mellan det granulära materialets förmåga att motstå kompression och dess förmåga att motstå skjuvdeformation, som får material att ändra form har beskrivits av Mohr-Coulomb-modellen. Denna modell approximerar materialets motstånd mot skjuvdeformation (skjuvhållfasthet) som en linjär funktion av applicerat tryck. I verkligheten, skjuvhållfastheten ökar inte linjärt med tryck och mättas vid höga tryck.
UF -forskarna utvecklade en ny modell som beskriver det granulära materialets respons mer exakt genom att studera stresstillståndet vid vilket en mängd keramik misslyckas, vilket rapporterats i litteraturen av olika forskargrupper.
ARL och UF-teamet samarbetade för att använda denna förbättrade granulära responsmodell i kombination med en dynamisk kavitetsexpansionsmodelleringsram för att fånga responsen från keramik på det komplexa stötinducerade stresstillståndet som inkluderar kompression, spänning och skjuvning. Modelleringsramverket för dynamisk kavitetsexpansion använder det tryck som krävs för att expandera en kavitet i ett intakt material för att karakterisera dess förmåga att motstå djup penetration. Detta tryck, självklart, är beroende av hur materialet reagerar på kompression, spännings- och skjuvkrafter. På grund av tillämpbarheten av denna nya modell på en bred klass av keramik, behovet av dyra experiment för att karakterisera penetrationssvaret minskas avsevärt. Den nya penetrationsmodellen förbättrar förståelsen för hur spröd keramik reagerar på hög slagpåfrestning genom att spricka och finfördelas till granulatliknande material, och ökar modelleringsförmågan för penetrationshändelser.
En sidobild av en laboratorieprojektil som träffar en keramisk skiva uppbackad av polykarbonat tagen med hjälp av höghastighetskameror. Kredit:US Army Research Laboratory
Den förbättrade modellen har visat sig bättre förutsäga motståndet hos ett brett spektrum av keramiska mål när de skjuts mot av en långstavsprojektiler med hastigheter upp till 3 km/s. De viktiga materialparametrarna för penetrationsprestanda för ett keramiskt mål har identifierats genom detta samarbete, som kommer att vägleda hur felprocesserna i keramik kan kontrolleras genom förbättrad materialdesign eller genom en multi-material system approach.
"Att förstå mekaniken för materialrespons på projektilpåverkan genererade stressförhållanden är avgörande i denna forskning, Satapathy sa. Forskningen kommer att visas i International Journal of Solids and Structures .
Den bakre ytan av den keramiska skivan sedd genom polykarbonatunderlaget visar fel på en keramisk skiva till följd av en laboratorieprojektil. Kredit:US Army Research Laboratory
