【正文】 22 3. 試樣制備及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ............................................................................................... 24 試樣制備 ......................................................................................................... 24 分層位置不同的試樣制備 .................................................................. 24 鋪層方向不同的試樣制備 .................................................................. 24 力學(xué)加載與聲發(fā)射監(jiān)測(cè) ................................................................................. 25 4 結(jié)果與討論 ................................................................................................................ 27 不同鋪層方向結(jié)果分析 ................................................................................. 27 斷口形貌分析 ...................................................................................... 27 建筑用樹脂基復(fù)合材料損傷性能研究 不同鋪層方向力學(xué)及聲發(fā)射特性 ...................................................... 27 不同分層深度結(jié)果分析 ................................................................................. 31 斷口形貌分析 ...................................................................................... 31 不同缺陷深度力學(xué)響應(yīng)特征 .............................................................. 32 不同缺陷深度聲發(fā)射響應(yīng)特征 .......................................................... 34 不同分層型式結(jié)果分析 ................................................................................. 41 力學(xué)響應(yīng)與破壞特征（Ⅰ型分層） .................................................. 41 Ⅰ型分層擴(kuò)展聲發(fā)射響應(yīng)行為 .......................................................... 42 Ⅰ型、Ⅱ型結(jié)果對(duì)比分析 .................................................................. 44 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 46 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................... 47 致 謝 ............................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 5 緒 論 本課題的研究目的與意義 建筑工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。然而長(zhǎng)期以來(lái)，建筑材料由于消耗能 量大，污染排放大，生產(chǎn)效率低，新型建筑材料的發(fā)展已經(jīng)成為越來(lái)越迫切的需求。樹脂基纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料由于可設(shè)計(jì)性好、高比強(qiáng)度和高比模量，并且具有防水隔熱隔音等性能，相對(duì)于傳統(tǒng)建筑材料的綜合性能更為優(yōu)異，從而在建筑業(yè)方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，主要被應(yīng)用于承壓結(jié)構(gòu)及建筑物加固結(jié)構(gòu) [13]。 然而近年來(lái)，隨著復(fù)合材料在建筑物承載結(jié)構(gòu)中應(yīng)用范圍及應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，復(fù)合材料在生產(chǎn)過(guò)程中損壞，引發(fā)建筑物結(jié)構(gòu)破壞事故的問(wèn)題日益突出，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 基體開(kāi)裂、分層、纖維斷裂及纖維基體脫粘是復(fù)合材料的四種基本失效形式 。上述四種基本失效模式雖然可組合出多種復(fù)雜模式，但任何復(fù)合材料的失效均可分為以“基體控制為主”或以“纖維控制為主”兩 種 [4]。本文還討論了復(fù)合材料中的失效分析方法。 由于復(fù)合材料層合板中層間破壞主要形式為樹脂基體損傷，其斷裂能小于需要纖維斷裂的層外破壞，因此，一般復(fù)合材料損傷的主要原因是由于復(fù)合材料分層等界面缺陷的作用。復(fù)合材料界面分層缺陷的損傷累積將導(dǎo)致其整體力學(xué)性能的嚴(yán)重退化。因此，復(fù)合材料分層型式及損傷階段的識(shí)別對(duì)復(fù)合材料分層等界面缺陷的無(wú)損檢測(cè)與剩余強(qiáng)度評(píng)估具有重要意義 [5]。 復(fù)合材料無(wú)損 檢測(cè) 通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可獲取其分層缺陷的分布特征。可用于復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括激光剪切散斑、 X 射線、紅外熱成像和超聲檢測(cè)等 [6]。超聲波波長(zhǎng)與材料內(nèi)部缺陷尺寸相匹配，成為復(fù)合材料分層缺陷檢測(cè)的主要方法。 Rai?utis 等 [7]采用 和 400KHz 兩種超聲傳感器，將傳感器與移動(dòng)水箱相連，并采用耦合劑將移動(dòng)水箱與復(fù)合材料表面緊密貼合，可降低超聲傳感器自反射的影響，并且延長(zhǎng)了復(fù)合材料內(nèi)部多層組織結(jié)構(gòu)缺陷的反射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高頻的超聲信號(hào)能有效檢測(cè)復(fù)合材料近表層位置的分層等界面缺陷， 而低頻的超聲信號(hào)可用于檢測(cè)深層的分層缺陷和厚度變化。此外，隨著超聲相控陣等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)其分層缺陷的表征。以上無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在分層缺陷特征的獲取方面。而復(fù)合材料分層缺陷的演化行為研究，應(yīng)建立在對(duì)分布特征和缺陷演化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有全面認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。 聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感、能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)已廣泛應(yīng)用于壓力容器的安全性檢測(cè)與評(píng)價(jià)、焊接過(guò)程的監(jiān)控和焊縫焊后的完整性監(jiān)測(cè)、核反應(yīng)堆的安 全性評(píng)估以及斷裂力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)外相關(guān)學(xué)者相繼開(kāi)展了聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料的早期損傷預(yù)警和服役可靠性評(píng)估方面的應(yīng)用研究。 Dutton 和 Blanch 等 [8]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)加載過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行靜力、疲勞和剩余強(qiáng)度測(cè)試，分析相應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)響應(yīng)行為，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行損傷定位和特征研究，高幅值和高能量信號(hào)的出現(xiàn)代表復(fù)合材料失效破壞。同時(shí)指出復(fù)合材料疲勞測(cè)試實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大，可采取周期采樣的方式對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 Anastassopoulos 和 Kouroussis 等 [9]針對(duì)葉片測(cè) 試過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射事件，進(jìn)一步提出針對(duì)復(fù)合材料損傷分級(jí)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究的模式識(shí)別系統(tǒng)。 Blanch 和 Dutton[10]對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了在線聲發(fā)射監(jiān)測(cè)研究，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果進(jìn)行配合分析，為實(shí)際加載情況下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。 Bent 和 Lars 等 [11]進(jìn)行了復(fù)合材料遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究，提出針對(duì)近海復(fù)合材料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的可行性。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究處于初步階段，主要涉及到復(fù)合材料裂紋缺陷的監(jiān)測(cè)。 復(fù)合材料因具有良好的物理化學(xué)性能而得到了廣泛應(yīng)用。但是由于復(fù)合材料復(fù)雜的制作工藝，導(dǎo)致了其不均勻性、 各向異性等特點(diǎn)，所以其損傷形式也有多樣性，例如：纖維扭曲或斷裂、纖維與基體脫開(kāi)、分層、基體開(kāi)裂等，每種損傷形式對(duì)材料本身綜合性能都有很大的影響。所以在材料服役期間對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估十分重要，而聲發(fā)射檢測(cè)是監(jiān)測(cè)材料損傷過(guò)程、分析破壞機(jī)理的有效方法 [12]。 材料產(chǎn)生任何的變形和斷裂機(jī)制，都會(huì)對(duì)聲發(fā)射有影響。聲發(fā)射源信號(hào)頻率范圍很廣，從次聲波、聲波再到超聲波；其振動(dòng)幅度范圍也很廣，從微弱的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到強(qiáng)烈的波動(dòng)。而聲發(fā)射的目的則是接收缺陷出現(xiàn)、擴(kuò)展、失效時(shí)的信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析，來(lái)確定材料內(nèi)部的缺陷 、損傷情況等。從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)預(yù)估，減少由于材料失效造成的事故。 大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，復(fù)合材料的損傷形式不同，其損傷和擴(kuò)展時(shí)所產(chǎn)生的聲發(fā)射源也不相同，采用發(fā)射技術(shù)對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和記錄，可通過(guò)其聲發(fā)射信號(hào)的能量、幅度及撞擊等特征對(duì)復(fù)合材料的損傷形進(jìn)行早期預(yù)報(bào)。所以，本文利用聲發(fā)射檢測(cè)的這一特點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料的加載過(guò)程全程監(jiān)測(cè)，分析采集到的信號(hào)特性，從而推斷缺陷和裂紋擴(kuò)展的情況。 7 研究路線 本文采用層壓成型工藝 制造了 建筑 用的 復(fù)合材料 層合板，并 針對(duì)在結(jié)構(gòu) 承載過(guò)程中易出現(xiàn)的分層 損傷 ，設(shè)計(jì) 含兩種 常見(jiàn)的 Ⅰ ， Ⅱ 型分層缺陷 的 玻璃纖維 復(fù)合材料 試樣。并用萬(wàn)能拉壓試驗(yàn) 機(jī)對(duì)含分層缺陷復(fù)合材料進(jìn)行加載破壞，并通過(guò)聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加載狀態(tài)下分層缺陷的演化過(guò)程。并且研究了含分層缺陷的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在不同的鋪層角度下，其中分層缺陷用 塑料 薄膜 模擬， 鋪層方向改變?yōu)?從 0176。到 45176。再到 90176。并且改變不同分層深度和分層型式， 分別用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)材料的力學(xué)性能及聲發(fā)射信號(hào)。 結(jié)合萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的力學(xué)數(shù)據(jù)及聲發(fā)射傳感器監(jiān)測(cè)的聲發(fā)射信號(hào)，分析復(fù)合材料受載情況下分層擴(kuò)展的宏觀形貌，以及在受載破壞的不同階段聲發(fā)射 事件的幅值等特點(diǎn)，研究不同試件在拉伸和彎曲條件下的力學(xué)行為、相應(yīng)的聲發(fā)射特征及其界面損傷破壞微結(jié)構(gòu)特征，建立分層缺陷演化與聲發(fā)射特征信號(hào)及其界面力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)研究對(duì)復(fù)合材料分層缺陷的無(wú)損檢測(cè)與剩余強(qiáng)度評(píng)估，早期損傷預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和服役的可靠性評(píng)估具有重要參考價(jià)值。創(chuàng)新之處主要表現(xiàn)在：利用聲發(fā)射技術(shù)動(dòng)態(tài)獲取復(fù)合材料分層缺陷加載作用下的演化行為，揭示界面缺陷對(duì)其演化的聲發(fā)射特征和力學(xué)性能的作用規(guī)律 。從而為復(fù)合材料在建筑上的安全使用及剩余強(qiáng)度評(píng)估提供一定的借鑒。 1 復(fù)合 材料及失效模式 復(fù)合材料的定義、分類 復(fù)合材料的定義 復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)或結(jié)構(gòu)有差異的材料經(jīng)過(guò)特殊工藝加工制作而成的。 復(fù)合材料是一種多相態(tài)材料，主要包括基體相和增強(qiáng)相 。其中基體相的作用是用于粘結(jié)，增強(qiáng)相的作用是作為骨架，它們之間不發(fā)生反應(yīng)，所以制成的復(fù)合材料既有它們的優(yōu)點(diǎn)，又能避免各自的缺點(diǎn)，使得復(fù)合材料的綜合性能可以滿足人們不同的需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多復(fù)合材料不但有高比強(qiáng)度、高比模量、延展性較好、抗腐蝕等特點(diǎn)，而且制作成本也能被人們接受，因此，廣泛的被應(yīng)用于 航空航天、機(jī)械、建筑等行業(yè) [1314]。 復(fù)合材料的分類 復(fù)合材料按其分類形式的不同有很多種。 (1)復(fù)合材料按其組成分為： ① 金屬與金屬?gòu)?fù)合材料 ② 非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料 ③ 非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料 (2)按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為： ① 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。是一種用纖維材料作為增強(qiáng)相，與基體相復(fù)合，來(lái)達(dá)到增強(qiáng)效果的材料。此類復(fù)合材料目前比較常用。 ② 夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)或者結(jié)構(gòu)不同的材料通過(guò)分層組合制成的。表面的材料稱為面材，內(nèi)部的材料稱為芯材。可以根據(jù)人們的實(shí)際需要，來(lái)確定面材和芯材的性質(zhì)，比如強(qiáng)度、 剛度、厚度、質(zhì)量等參數(shù)。根據(jù)夾層的情況不同，又可以將夾層復(fù)合材料分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。 ③ 細(xì)粒復(fù)合材料。這種復(fù)合材料的增強(qiáng)相是一些硬質(zhì)金屬或者合金的細(xì)小顆粒，在基體中均勻的分布著。 ④ 混雜復(fù)合材料。這種材料的增強(qiáng)相不是單一的，而是由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料，通過(guò)復(fù)雜的工藝，同時(shí)與一種基體復(fù)合。與普通的單一增強(qiáng)相的復(fù)合材料相比，其強(qiáng)度和韌性等性能都有顯著提高。 (3)按其基體材料的不同分為： 9 ① 金屬基復(fù)合材料。是金屬或者合金作為基體，纖維、顆?；蚓ы氉鳛樵鰪?qiáng)相的復(fù)合材料?；w金屬不同，其使用溫度也不相同 。由于這類復(fù)合材料的制作工藝復(fù)雜、成本較高，常用于軍事和航天等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍并不廣泛。 ② 陶瓷基復(fù)合材料。是用陶瓷作為基體的復(fù)合材料。陶瓷本身具有脆性，所以使得這類復(fù)合材料也具有脆性，在服役過(guò)程中易發(fā)生斷裂導(dǎo)致失效。因?yàn)槔w維有較高的韌性，而且能有效抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，所以為了克服陶瓷基具有脆性的缺點(diǎn)，提高這類材料的韌性，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中通常用纖維作為增強(qiáng)相。 ③ 樹脂基復(fù)合