Page 101 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 蔡治城，等： 陶瓷材料Ⅰ型动态断裂韧性的新型测试方法 第 2 期

alumina ceramics predominantly exhibits intergranular fracture features. Under higher loading rates, the fracture shows a
mixed-mode fracture involving both intergranular and transgranular features. This transition is attributed to the activation and
propagation of more micro-defects under higher rates, resulting in increased microcracking. The emergence of this mixed
fracture mode is associated with greater energy dissipation, which fundamentally contributes to the increase in mode I dynamic
fracture toughness. The proposed method offers a robust framework for accurately assessing the mode I dynamic fracture
properties of ceramic materials.
Keywords: alumina ceramic; dynamic fracture toughness; loading rate; split Hopkinson pressure bar

陶瓷材料因具有高强度、高硬度、高熔点和高耐磨性等优异特性而成为国防、航空航天、车辆、能源
等领域的重要工程材料。随着陶瓷材料在直升机、特种车辆和防弹衣等装甲防护设施中的大量应用 [1-3] ，
人们越来越关注其在冲击载荷下的力学特性 [4-11] 。
陶瓷材料固有的脆性使其在实际应用中易于发生断裂。为提高陶瓷的抗断裂能力，研究人员针对
陶瓷材料的韧性测试及增韧问题开展了大量研究。何泽夏等 [12] 采用三点弯曲法和双悬臂梁法，分析了
裂纹的不同加工方法对测得的断裂韧性的影响。王学成等 [13] 采用双扭法测试了陶瓷的断裂韧性，研究了裂
[7]
纹长度对应力强度因子的影响。Huang 等 发现通过在氧化铝陶瓷中添加氧化锆颗粒可以有效抑制径向
和周向裂纹的扩展，减缓陶瓷锥的形成，从而提高其对冲击能量的吸收能力。另外，Kasaeian-Naeini 等 [14]

通过在镁基复合材料中添加陶瓷颗粒，显著提高了其在准静态条件下的断裂韧性和强度。Sun 等 [15-16] 则
利用不同含量的氧化锆、氧化铝陶瓷粉末以及石墨烯纳米片制备了高性能 BTC 陶瓷，并研究了各种组
合对材料力学性能的影响。吴昊龙等 [17] 发现在氧化铝基体外增加莫来石预应力涂层可以显著提高基体

材料的断裂韧性。Kong 等 [18] 则从仿生结构的角度优化了陶瓷材料的韧性和承载能力。Chai 等 [19] 利用
压入法评估了陶瓷复合材料的断裂韧性。
在以上研究中，多采用双悬臂梁法 、双扭法 、紧凑拉伸法 、压痕强度法 [15-16] 以及单边切口梁法 [17]
[12]
[14]
[13]
对陶瓷材料在准静态加载下的断裂韧性进行测量。然而，陶瓷作为装甲防护材料难免受到动态载荷的
作用。现有研究 [20-22] 表明，陶瓷材料在不同加载速率下的力学特性存在显著差异。值得注意的是，上述
针对陶瓷材料断裂韧性的测试方法要求试样在加载过程中必须满足力平衡条件，因此难以在动态测试
中直接采用。此外，传统测试方法需要动态应力强度因子曲线具有恒定的斜率，以确保恒定的加载速
率。这些限制条件在很大程度上增加了测试方法的复杂性。由于目前在陶瓷材料Ⅰ型裂纹的动态测试
技术及动态断裂韧性的确定方面仍存在困难，因此相关研究仍较少报道。
在动态断裂测试方面，较为可行的方法是采用霍普金森压杆或冲击试验仪配合数字图像相关技术
开展 [23-31] 。但是，由于受到测试手段的限制，目前针对微小试样的动态加载仍存在困难，而且难以对其制
备高质量散斑。近期，赵亚博 [32] 、Fan 等 [34-36] 、张永新等 [37] 在金属材料的动态断裂韧性方面开展了一些
研究，并提出了针对微小试样的测试方法。但是，用于陶瓷材料的Ⅰ型动态断裂试样和相关测试方法的

研究目前仍待开展。
本文在前期工作的基础上，基于分离式霍普金森压杆技术设计一种针对陶瓷材料的新型纯Ⅰ型动
态断裂实验方法，在不同加载速率下对氧化铝陶瓷进行动态断裂测试，采用高速摄影观察裂纹的起裂和
扩展过程，分析材料断裂韧性的加载速率效应及其微观机理。

1 实验数值法

1.1 实验加载装置及试样
本文采用实验数值法测试氧化铝陶瓷材料的Ⅰ型动态断裂韧性。加载装置采用霍普金森压杆系
统，其中撞击杆、入射杆及透射杆直径均为 19 mm，材料为 18Ni 马氏体钢。此外，参考单边缺口梁试样的
设计方法，采用精密线切割技术在预定位置预制裂纹，制备了氧化铝陶瓷的微型Ⅰ型断裂试样（见图 1）。

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