【正文】 22 3. 試樣制備及實驗設計 ............................................................................................... 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 力學加載與聲發(fā)射監(jiān)測 ................................................................................. 25 4 結果與討論 ................................................................................................................ 27 不同鋪層方向結果分析 ................................................................................. 27 斷口形貌分析 ...................................................................................... 27 建筑用樹脂基復合材料損傷性能研究 不同鋪層方向力學及聲發(fā)射特性 ...................................................... 27 不同分層深度結果分析 ................................................................................. 31 斷口形貌分析 ...................................................................................... 31 不同缺陷深度力學響應特征 .............................................................. 32 不同缺陷深度聲發(fā)射響應特征 .......................................................... 34 不同分層型式結果分析 ................................................................................. 41 力學響應與破壞特征（Ⅰ型分層） .................................................. 41 Ⅰ型分層擴展聲發(fā)射響應行為 .......................................................... 42 Ⅰ型、Ⅱ型結果對比分析 .................................................................. 44 結 論 .......................................................................................................................... 46 參 考 文 獻 .................................................................................................................... 47 致 謝 ............................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 5 緒 論 本課題的研究目的與意義 建筑工業(yè)在國民經(jīng)濟中占有很重要的地位，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一。然而長期以來，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)成為越來越迫切的需求。樹脂基纖維增強型復合材料由于可設計性好、高比強度和高比模量，并且具有防水隔熱隔音等性能，相對于傳統(tǒng)建筑材料的綜合性能更為優(yōu)異，從而在建筑業(yè)方面得到了越來越廣泛的應用，主要被應用于承壓結構及建筑物加固結構 [13]。 然而近年來，隨著復合材料在建筑物承載結構中應用范圍及應用規(guī)模的擴大，復合材料在生產(chǎn)過程中損壞，引發(fā)建筑物結構破壞事故的問題日益突出，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。 基體開裂、分層、纖維斷裂及纖維基體脫粘是復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雜模式，但任何復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]。本文還討論了復合材料中的失效分析方法。 由于復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，一般復合材料損傷的主要原因是由于復合材料分層等界面缺陷的作用。復合材料界面分層缺陷的損傷累積將導致其整體力學性能的嚴重退化。因此，復合材料分層型式及損傷階段的識別對復合材料分層等界面缺陷的無損檢測與剩余強度評估具有重要意義 [5]。 復合材料無損 檢測 通過對復合材料進行無損檢測，可獲取其分層缺陷的分布特征。可用于復合材料的無損檢測技術主要包括激光剪切散斑、 X 射線、紅外熱成像和超聲檢測等 [6]。超聲波波長與材料內(nèi)部缺陷尺寸相匹配，成為復合材料分層缺陷檢測的主要方法。 Rai?utis 等 [7]采用 和 400KHz 兩種超聲傳感器，將傳感器與移動水箱相連，并采用耦合劑將移動水箱與復合材料表面緊密貼合，可降低超聲傳感器自反射的影響，并且延長了復合材料內(nèi)部多層組織結構缺陷的反射。實驗結果表明：高頻的超聲信號能有效檢測復合材料近表層位置的分層等界面缺陷， 而低頻的超聲信號可用于檢測深層的分層缺陷和厚度變化。此外，隨著超聲相控陣等無損檢測技術在復合材料檢測中的應用，將進一步推動其分層缺陷的表征。以上無損檢測技術在復合材料領域的應用主要集中在分層缺陷特征的獲取方面。而復合材料分層缺陷的演化行為研究，應建立在對分布特征和缺陷演化的動態(tài)響應特性有全面認識的基礎上。 聲發(fā)射檢測對動態(tài)缺陷敏感、能做到實時監(jiān)測，是一種新興的無損檢測技術。隨著計算機和信號處理技術的迅速發(fā)展，聲發(fā)射技術已廣泛應用于壓力容器的安全性檢測與評價、焊接過程的監(jiān)控和焊縫焊后的完整性監(jiān)測、核反應堆的安 全性評估以及斷裂力學研究等諸多領域。近年來，國外相關學者相繼開展了聲發(fā)射技術在復合材料的早期損傷預警和服役可靠性評估方面的應用研究。 Dutton 和 Blanch 等 [8]利用聲發(fā)射技術對加載過程進行實時監(jiān)測，通過對復合材料進行靜力、疲勞和剩余強度測試，分析相應聲發(fā)射信號響應行為，對復合材料進行損傷定位和特征研究，高幅值和高能量信號的出現(xiàn)代表復合材料失效破壞。同時指出復合材料疲勞測試實時監(jiān)測數(shù)據(jù)量龐大，可采取周期采樣的方式對聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行分析。 Anastassopoulos 和 Kouroussis 等 [9]針對葉片測 試過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射事件，進一步提出針對復合材料損傷分級和結構健康監(jiān)測研究的模式識別系統(tǒng)。 Blanch 和 Dutton[10]對復合材料進行了在線聲發(fā)射監(jiān)測研究，通過與實驗室測試結果進行配合分析，為實際加載情況下復合材料結構完整性監(jiān)測提供依據(jù)。 Bent 和 Lars 等 [11]進行了復合材料遠程結構健康監(jiān)測研究，提出針對近海復合材料實時監(jiān)測的可行性。國內(nèi)在該領域的研究處于初步階段，主要涉及到復合材料裂紋缺陷的監(jiān)測。 復合材料因具有良好的物理化學性能而得到了廣泛應用。但是由于復合材料復雜的制作工藝，導致了其不均勻性、 各向異性等特點，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、分層、基體開裂等，每種損傷形式對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其進行安全評價和風險預估十分重要，而聲發(fā)射檢測是監(jiān)測材料損傷過程、分析破壞機理的有效方法 [12]。 材料產(chǎn)生任何的變形和斷裂機制，都會對聲發(fā)射有影響。聲發(fā)射源信號頻率范圍很廣，從次聲波、聲波再到超聲波；其振動幅度范圍也很廣，從微弱的位錯運動到強烈的波動。而聲發(fā)射的目的則是接收缺陷出現(xiàn)、擴展、失效時的信號，通過對這些信號的分析，來確定材料內(nèi)部的缺陷 、損傷情況等。從而對整個系統(tǒng)進行安全評價、危險預估，減少由于材料失效造成的事故。 大量的實驗研究表明，復合材料的損傷形式不同，其損傷和擴展時所產(chǎn)生的聲發(fā)射源也不相同，采用發(fā)射技術對這一過程進行實時的監(jiān)測和記錄，可通過其聲發(fā)射信號的能量、幅度及撞擊等特征對復合材料的損傷形進行早期預報。所以，本文利用聲發(fā)射檢測的這一特點，對復合材料的加載過程全程監(jiān)測，分析采集到的信號特性，從而推斷缺陷和裂紋擴展的情況。 7 研究路線 本文采用層壓成型工藝 制造了 建筑 用的 復合材料 層合板，并 針對在結構 承載過程中易出現(xiàn)的分層 損傷 ，設計 含兩種 常見的 Ⅰ ， Ⅱ 型分層缺陷 的 玻璃纖維 復合材料 試樣。并用萬能拉壓試驗 機對含分層缺陷復合材料進行加載破壞，并通過聲發(fā)射實時監(jiān)測加載狀態(tài)下分層缺陷的演化過程。并且研究了含分層缺陷的纖維增強樹脂基復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， 分別用萬能試驗機和聲發(fā)射儀監(jiān)測材料的力學性能及聲發(fā)射信號。 結合萬能試驗機的力學數(shù)據(jù)及聲發(fā)射傳感器監(jiān)測的聲發(fā)射信號，分析復合材料受載情況下分層擴展的宏觀形貌，以及在受載破壞的不同階段聲發(fā)射 事件的幅值等特點，研究不同試件在拉伸和彎曲條件下的力學行為、相應的聲發(fā)射特征及其界面損傷破壞微結構特征，建立分層缺陷演化與聲發(fā)射特征信號及其界面力學性能的對應關系。 項目創(chuàng)新點 本項研究對復合材料分層缺陷的無損檢測與剩余強度評估，早期損傷預報、結構健康監(jiān)測和服役的可靠性評估具有重要參考價值。創(chuàng)新之處主要表現(xiàn)在：利用聲發(fā)射技術動態(tài)獲取復合材料分層缺陷加載作用下的演化行為，揭示界面缺陷對其演化的聲發(fā)射特征和力學性能的作用規(guī)律 。從而為復合材料在建筑上的安全使用及剩余強度評估提供一定的借鑒。 1 復合 材料及失效模式 復合材料的定義、分類 復合材料的定義 復合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)或結構有差異的材料經(jīng)過特殊工藝加工制作而成的。 復合材料是一種多相態(tài)材料，主要包括基體相和增強相 。其中基體相的作用是用于粘結，增強相的作用是作為骨架，它們之間不發(fā)生反應，所以制成的復合材料既有它們的優(yōu)點，又能避免各自的缺點，使得復合材料的綜合性能可以滿足人們不同的需求。隨著科學技術的不斷發(fā)展，許多復合材料不但有高比強度、高比模量、延展性較好、抗腐蝕等特點，而且制作成本也能被人們接受，因此，廣泛的被應用于 航空航天、機械、建筑等行業(yè) [1314]。 復合材料的分類 復合材料按其分類形式的不同有很多種。 (1)復合材料按其組成分為： ① 金屬與金屬復合材料 ② 非金屬與金屬復合材料 ③ 非金屬與非金屬復合材料 (2)按其結構特點又分為： ① 纖維增強復合材料。是一種用纖維材料作為增強相，與基體相復合，來達到增強效果的材料。此類復合材料目前比較常用。 ② 夾層復合材料。由性質(zhì)或者結構不同的材料通過分層組合制成的。表面的材料稱為面材，內(nèi)部的材料稱為芯材?？梢愿鶕?jù)人們的實際需要，來確定面材和芯材的性質(zhì)，比如強度、 剛度、厚度、質(zhì)量等參數(shù)。根據(jù)夾層的情況不同，又可以將夾層復合材料分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。 ③ 細粒復合材料。這種復合材料的增強相是一些硬質(zhì)金屬或者合金的細小顆粒，在基體中均勻的分布著。 ④ 混雜復合材料。這種材料的增強相不是單一的，而是由兩種或兩種以上增強相材料，通過復雜的工藝，同時與一種基體復合。與普通的單一增強相的復合材料相比，其強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 金屬基復合材料。是金屬或者合金作為基體，纖維、顆?；蚓ы氉鳛樵鰪娤嗟膹秃喜牧??；w金屬不同，其使用溫度也不相同 。由于這類復合材料的制作工藝復雜、成本較高，常用于軍事和航天等領域，應用范圍并不廣泛。 ② 陶瓷基復合材料。是用陶瓷作為基體的復合材料。陶瓷本身具有脆性，所以使得這類復合材料也具有脆性，在服役過程中易發(fā)生斷裂導致失效。因為纖維有較高的韌性，而且能有效抑制裂紋的產(chǎn)生和擴展，所以為了克服陶瓷基具有脆性的缺點，提高這類材料的韌性，實際生產(chǎn)應用中通常用纖維作為增強相。 ③ 樹脂基復合