界面与构型对双层B4C/Al复合材料动态力学性能的协同调控机制研究

针对装甲防护材料中界面弱连接与构型设计难题，研究人员通过压力渗透法制备连续铝基双层B4C/Al复合材料，发现连续基体结构使界面拉伸强度达326 MPa（环氧树脂的27倍），DIC显示应变传递效率提升至78%，有限元模拟揭示增强体梯度通过调控应力-应变分布影响失效机制，为高性能抗冲击材料设计提供新思路。

　　

随着现代战场环境复杂化，传统单组分装甲材料难以兼顾轻量化与综合防护需求。层状材料因其可设计性强、结构功能一体化等优势成为研究热点，但界面结合弱和构型设计不合理导致动态载荷下协同效应不足。哈尔滨工业大学的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表研究，通过创新性压力渗透工艺制备双层B₄C/Al复合材料，系统揭示了界面结构与材料构型对动态力学性能的调控机制。

研究采用粉末分级（100 μm/17.5 μm/5 μm B₄C混合）和压力渗透技术制备70-30 vol.%（I-73）与70-50 vol.%（I-75）两种构型的双层复合材料，对比环氧树脂粘结结构（E-73）。通过SHPB（分离式霍普金森压杆）动态压缩测试结合DIC（数字图像相关）应变分析，辅以LS-DYNA有限元模拟，建立了材料构型-界面特性-动态响应的关联模型。

3.1 界面微观结构与强度
扫描电镜显示连续基体结构的界面形成渐变过渡区，无物理边界。拉伸测试表明I-73/I-75界面强度（326/315 MPa）远超环氧粘结（12 MPa），断裂发生于70 vol.%层而非界面，证实冶金结合优势。

3.2 动态力学性能
SHPB测试显示连续基体结构具有显著应变率强化效应：I-75在25 m/s冲击下能量吸收达147.2 MJ/m³，较E-73提升107%。DIC分析揭示I-75应变传递效率（78%）是E-73（19%）的4倍，证实连续基体促进层间协同变形。

3.3 压缩后微观结构
宏观形貌显示E-73在15 m/s即发生界面剥离，而I-75至25 m/s才出现贯穿剪切带。微观分析发现I-73中70 vol.%层因应变失配产生45°剪切带，而I-75因模量梯度减小实现均匀塑性变形。

3.4 数值模拟结果
有限元模拟再现了实验现象：I-75的70 vol.%层塑性区扩展更充分，能量吸收较I-73提升23%。应力三轴度分布表明I-73的峰值应力集中于界面，而I-75应力场更分散，延缓了失效发生。

4.1 界面对应变传递的影响
通过第四强度理论换算对比显示，压力渗透法的界面强度优于传统轧制（200 MPa级）和焊接工艺。应变梯度分析发现连续基体结构使材料经历"弹性-软层屈服-协同塑性"三阶段变形，而粘结结构仅前两阶段。

4.2 材料构型的影响机制
关键发现是当软层压缩强度（50 vol.% B₄C/Al的1046 MPa）超过硬层屈服强度（70 vol.%层的933 MPa）时，可促进塑性区扩展。I-75因50 vol.%层的缓冲作用，使70 vol.%层应力分布均匀化，避免局部剪切失效。

该研究创新性地提出"基体连续性+梯度优化"协同设计策略，突破传统层状材料界面弱连接的瓶颈。压力渗透法可实现300×300×50 mm大尺寸构件一体化成型，较传统轧制工艺效率提升显著。发现的最佳构型准则（软层强度>硬层屈服强度）为抗冲击材料设计提供普适性指导，在装甲防护、航天器缓冲结构等领域具有重要应用价值。通过DIC与有限元的多尺度关联分析方法，建立了从微观界面特性到宏观动态响应的预测模型，为复杂载荷下材料设计奠定理论基础。