在透明装甲材料的开发中，多晶镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）因其优异的力学与光学性能备受关注。然而，现有研究多忽略微观结构对动态裂纹扩展与宏观损伤演化的影响，导致难以准确解释材料在冲击载荷下的失效行为。这一痛点限制了高性能透明陶瓷装甲的优化设计。
为突破上述瓶颈，华南理工大学、冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室的研究团队在International Journal of Solids and Structures发表了相关研究成果。该研究通过结合分子动力学与近场动力学的多尺度建模方法，首次清晰揭示了镁铝尖晶石在冲击载荷下层裂与失效波两种动态失效模式的微观形成机制与演化规律，为高性能透明陶瓷装甲的微观结构设计提供了理论依据和仿真工具。论文标题为”Shock induced damage and failure mechanisms of magnesium aluminate spinel based on an atomistically calibrated bond-based peridynamic model”。
为解决上述问题，该研究提出了一种多尺度方法。首先，通过分子动力学模拟了MgAl₂O₄单晶和双晶的拉伸失效过程，获取了晶内和晶界的断裂能释放率（G₀ᵢ = 102.91 J/m², G₀ᵦ = 25.62 J/m²）等关键参数。随后，将这些原子尺度的断裂参数嵌入到改进的键基近场动力学模型中。该模型的关键改进在于引入了考虑拉压不对称性的失效准则以及失效后的残余键强度，使其更符合陶瓷材料的力学特性。为验证模型，文章还进行了平面冲击实验，利用多普勒针系统测量自由表面速度历史，并将实验结果与模拟预测进行对比校准。
图1 含预置裂纹的双晶模型示意图及相关坐标系
图2 键基近场动力学模型示意图
图3 晶内键（橙色）与晶界键（青色）的键力-拉伸关系
模拟结果与实验数据高度吻合，成功捕捉到两种典型失效模式：层裂与失效波。在112 m/s冲击速度下，自由表面速度曲线出现明显的回拉信号，表明层裂发生；而在162 m/s冲击下，曲线出现异常再压缩信号，对应失效波传播。通过对比模拟与实验数据，该模型准确预测了层裂强度（0.466 GPa）与失效波速度（4070 m/s）。数据强化方面，研究揭示了以下关键指标变化：晶粒尺寸从60 μm增至220 μm时，极限层裂强度由0.79 GPa降至0.53 GPa（↓32.9%）；失效波速度随晶粒尺寸减小而降低，从4500 m/s（220 μm）降至3800 m/s（60 μm）（↓15.6%）；冲击速度由142 m/s提升至262 m/s时，失效波速度由4000 m/s增至5200 m/s（↑30%），甚至超过了裂纹扩展的瑞利波速极限。
图4 112 m/s冲击速度下实验与模拟自由表面速度历史对比
图5 162 m/s冲击速度下实验与模拟自由表面速度历史对比
该研究建立的PD-MD多尺度模型，能够有效预测脆性材料在冲击载荷下的损伤演化和失效机制，其方法不局限于镁铝尖晶石，可推广至其他需要考虑界面性能的材料体系。研究关于晶粒尺寸和冲击速度影响规律的结论，为通过微观结构调控（如优化晶粒尺寸分布）来设计抗冲击性能更优的透明陶瓷装甲提供了直接的理论依据和设计指南。例如，针对主要承受拉伸破坏的工况，应设计细晶结构以提高层裂强度；而对于承受更高压力、可能引发失效波的工况，则需要综合权衡晶粒尺寸的影响。该模型作为一个经过实验验证的有效工具，未来可用于复杂陶瓷装甲系统对抗多种威胁的 ballistic 性能快速预测，从而显著加速装甲的设计与优化进程，减少对低效实物试验的依赖。
图6 失效波演化过程中的剪切应力、损伤云图、冲击波剖面及横向应力历史
图7 （a）不同晶粒尺寸模型的自由表面速度历史；（b）层裂强度随晶粒尺寸变化
图8 （a）不同晶粒尺寸模型的自由表面速度历史；（b）失效波速度随晶粒尺寸变化
原始文献：
Huang, J., Feng, L., Zhang, X., Zhang, R., Zhang, L., & Yao, X. (2025). Shock induced damage and failure mechanisms of magnesium aluminate spinel based on an atomistically calibrated bond-based peridynamic model. *International Journal of Solids and Structures*, 314, 113316.
原文链接：
https:///10.1016/j.ijsolstr.2025.113316