【正文】 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]。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)。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。樹脂基復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一種，基體是 有機(jī)聚合物 ，增強(qiáng)相是纖維。標(biāo)志著人類對(duì)復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)進(jìn)入理性階段的 是， 20 世紀(jì) 40 年代纖維復(fù)合材料的發(fā)展和研究，這也是復(fù)合材料發(fā)展的里程碑。 （ 1）鋁 塑復(fù)合材料 目前比較常見的有兩種鋁塑復(fù)合材料：鋁塑復(fù)合板、鋁塑復(fù)合管。具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、色彩多變、適應(yīng)氣候性強(qiáng)、安裝方便、裝飾效果好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于墻壁的裝修、舊樓翻新改造等。纖維材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如可設(shè)計(jì)性能好 ， 高比強(qiáng)度 ，高比模量 和高比剛度 ， 抗疲勞性 能 好 及 較好的抗腐蝕性 ，良好的 抗震性 及 過(guò)載安全性。 這種纖維復(fù)合材料增強(qiáng)混凝土中的碳纖維， 保持了其原有的密度低，強(qiáng)度、硬度、強(qiáng)度和彈性模量高，能導(dǎo)電磁，較易適應(yīng)周圍環(huán)境，耐磨損、高溫惡劣 環(huán)境，能與混凝土良好粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)。 ③經(jīng)常 應(yīng)用在軟性屋頂上，軟性屋頂 主要 分為兩種 情況 ： 一種是 充氣式 ，一種是 帳篷式。 （ 3）樹脂基復(fù)合材料 樹脂基復(fù)合材料又稱為玻璃鋼，有優(yōu)良的性能，因此廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。 ⑤ 有較好的隔熱性能。 ① 作為承壓結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料作為柱、梁及樓板等承載構(gòu)件，被應(yīng)用于高層建筑及腐蝕廠房的承重構(gòu)件。 ⑥ 其他，復(fù)合材料還被應(yīng)用于高層建筑屋頂，復(fù)古建筑，家具，座椅等各類制品 [22]。 為 盡量減少?gòu)?fù)合 材料失效 所造成的損失，因此 材料 失效 的 早期預(yù)警 很有 必要。另一個(gè)則是以 Smith和 Grove等人為首認(rèn)為，從纖維末端的斷裂起始位置和由此發(fā)出的射線狀 棱線能夠判斷出纖維的失效方向。 （ 2）縱向壓縮失效 因?yàn)闃渲w和纖維的泊松比不同，所以當(dāng)外部對(duì)試件施加縱向壓力時(shí)，試件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸應(yīng)力。 （ 4）橫向壓縮失效 試件的橫向壓縮失效與均勻材料的壓縮破壞原理有類似的地方，會(huì)出現(xiàn)沿著纖維鋪向方向的基體界面的剪切破壞現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比分析 斷口形貌，可以確定裂紋 產(chǎn)生的部位 和 發(fā)展方向 。當(dāng)拉伸載荷不斷增加，在與橫向開裂垂直的方向上，裂紋密度逐漸增大，最終裂紋密度達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致材料失效斷裂。45176。因此，分層擴(kuò)展損傷是復(fù)合材料多種損傷模式中最為常見。 分層是復(fù)合材料的主要復(fù)合方式，而分層損傷是復(fù)合材料主要破壞、失效形式之一，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行分層損傷型式主要表現(xiàn)為 Ⅰ 型分層和 Ⅱ 型分層， Ⅰ 型分層屬于張開型開裂， Ⅱ 型分層屬于滑移型開裂，其中以 Ⅰ 型張開型損壞最為嚴(yán)重。 在實(shí)際的生產(chǎn)使用過(guò)程中，要想材料沒(méi)有損傷是不可能的。 聲發(fā)射源 作為一種 彈性波源，這種波源直接與材料的變形和裂紋的擴(kuò)展甚至斷裂有關(guān)，例如：金屬材料中裂紋的產(chǎn)生、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界滑移等；復(fù)合材料中纖維與基體脫開、分層、基體開裂等這些都是明顯的聲發(fā)射源。在此期間，美國(guó)和日本也開始了對(duì)聲發(fā)射的研究，并且研究出了 不同種類材料及損傷機(jī)制下所產(chǎn)生的聲發(fā)射源的物理特征，這些特征可為工程材料損傷診斷及無(wú)損檢測(cè)提供依據(jù)。與此同時(shí)，波蘭、瑞典、加拿大等國(guó)家成功的開發(fā)出了單 /多通道聲發(fā)射檢測(cè)儀，并成功的應(yīng)用于礦井大 面積地壓活動(dòng)和局部巖體冒落預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。這標(biāo)志著聲發(fā)射檢測(cè)儀器進(jìn)入了參數(shù)和波形混合分析的階段，更加便于人們直觀的觀察和分析 [3336]。通常聲發(fā)射信號(hào)是通過(guò)應(yīng)力 波產(chǎn)生、傳播并被聲發(fā)射傳感器接收，并在相應(yīng)的系統(tǒng)中處理后，以波形等形式表示的電信號(hào)。有研究指出，實(shí)際所有的聲發(fā)射信號(hào)均為突發(fā)型信號(hào)，當(dāng)應(yīng)力波發(fā)生頻率很高，其信號(hào)在時(shí)域上 連貫 不能分離時(shí)，則表現(xiàn)為連續(xù)型信號(hào)。 采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)對(duì)并信號(hào)進(jìn)行分析，主要是對(duì)各種情況下產(chǎn)生聲發(fā)射源的信號(hào)特征進(jìn)行研究，例如，金屬材料在塑性變形時(shí)材料內(nèi)部的位錯(cuò)，缺陷擴(kuò)展的聲發(fā)射源；地震和礦山監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的巖土開裂及土壤顆粒破碎所產(chǎn)生的應(yīng)力波；纖維增強(qiáng)樹脂基材料中樹脂基體的開裂擴(kuò)展及纖維的斷裂等產(chǎn)生的聲發(fā)射源 [4345]。這些缺陷在使用承載的過(guò)程中，就有可能成為裂紋源，從而導(dǎo)致 各種各樣的損傷形式的出現(xiàn)，主要包括纖維斷裂、基體開裂、分層及脫粘等類型。 Jeng等研究了碳纖維熱塑性復(fù)合材料的 失效機(jī)理 ， 主要是針對(duì)復(fù)合材料兩種較為常見的損傷方式： 纖維斷裂及脫層 的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了區(qū)分 ，它們的聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、能量及幅值等諸參數(shù)特征均不相同； Michael Johnson 等 在對(duì)復(fù)合材料層合板 23 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中，獲取其聲發(fā)射信號(hào)，分析聲發(fā)射事件及聲發(fā)射的波形特征，從而得到了不同損傷模式及裂紋擴(kuò)展的與聲發(fā)射信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將 玻璃纖維預(yù)浸料 裁剪成 280 mm200 mm 尺寸大小，獲得 層合板 厚度約為 6 mm。在對(duì)試樣進(jìn)行加載破壞的過(guò)程中，利用聲發(fā)射儀器對(duì)試樣進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。 （ 4） 用游標(biāo)卡尺測(cè)量制備試樣的寬度和厚度，分別測(cè)出距試樣中心兩側(cè) 50mm 的點(diǎn)，并做出標(biāo)記。若兩 個(gè) 探頭的 聲發(fā)射 幅度相差不超過(guò)6dB， 則說(shuō)明 接收效果 良好 。試樣擴(kuò)展較為平齊，但 裂紋 擴(kuò)展長(zhǎng)度最短，分層縱剖面可以明顯看出 45176。根據(jù) 試樣所受 載荷和時(shí)間的關(guān)系，可以將 試樣的 斷裂 的歷程 分為四個(gè)階段，第一階段為起始階段，此過(guò)程中載荷變化比較緩慢，聲發(fā)射事件數(shù)較少，幅度也較低；第二階段為線性階段，載荷與時(shí) 間的變化呈線性關(guān)系，幅值和撞擊數(shù)較第一階段有增加，但是外觀沒(méi)有明顯的破壞跡象；第三階段是非線性階段，當(dāng)載荷增大到一定程度后，就會(huì)破壞與時(shí)間的線性關(guān)系，聲發(fā)射事件數(shù)明顯增加，在此過(guò)程中能夠宏觀的看到試件的裂紋擴(kuò)展；第四階段為斷裂階段，載荷和幅度都達(dá)到了最大值，聲發(fā)射事件數(shù)驟增，說(shuō)明試件在層斷裂時(shí)纖維和基體的損傷都加劇。在這一過(guò)程中，試件開始受到。斜向纖維。試樣擴(kuò)展裂紋尖端平齊，并且 擴(kuò)展長(zhǎng)度最長(zhǎng)，其分層縱剖面纖維斷裂較少，其分層損傷主要為基體開裂； 177。 （ 8） 用鉛筆芯模擬聲發(fā)射源，試驗(yàn)探頭的連接和耦合是否良好， 進(jìn)一步檢查 聲發(fā)射接收 通道是否正常。 傳感器頻帶為 100~450KHz，中心頻率為 150KHz， 信號(hào)采集閥值設(shè)為 46dB。 力學(xué) 加載與聲發(fā)射監(jiān)測(cè) 在 萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上 對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行層間損傷破 壞。為避免試驗(yàn)機(jī)夾具加載過(guò)程中對(duì) 試件 造成局部應(yīng)力的損壞，并減少 試驗(yàn)機(jī)噪聲影響，在試件 的 夾持部位兩側(cè)粘 貼 上 金屬片 。通過(guò)分析這些聲發(fā)射信號(hào)，可以對(duì)復(fù)合材料失效機(jī)理及損傷模式進(jìn)行判斷，對(duì)材料剩余強(qiáng)度進(jìn)行較為有效的預(yù)測(cè)。 聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用 復(fù)合材料的比強(qiáng)度比模量高、可設(shè)計(jì)性好，并且具有力學(xué)性能優(yōu)良及耐腐蝕等一些良好的物理化學(xué)性能，從而在工程上各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。材料的塑性變形、斷裂、相變、磁效應(yīng)和表面效應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)而成為聲發(fā)射源。突發(fā)型信號(hào)通常幅值高，持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)，在時(shí)域上不連貫，波形可以分離。隨著人們對(duì)聲發(fā)射理論的認(rèn)識(shí)加深，以及新一代的全、全自動(dòng)化的聲發(fā)射儀器和信號(hào)處理軟件的研究成功，聲發(fā)射技術(shù)在將會(huì)步入一個(gè)新的、更高的發(fā)展的階段。 通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢儀器或構(gòu)件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和同步的數(shù)據(jù)分析。開始用儀器來(lái)測(cè)量、記錄聲發(fā)射現(xiàn)象可以追溯到 20 世紀(jì)初，1950 年德國(guó)的 Kaiser 研究發(fā)現(xiàn)了這就是凱塞效應(yīng)，這一效應(yīng)為以后的聲發(fā)射研究提供了依據(jù)，并且廣泛應(yīng)用于工業(yè)上。凱塞最顯著的發(fā)現(xiàn)是證明了材料 在發(fā)生 變形過(guò)程中 ，所產(chǎn)生的 聲發(fā)射信號(hào) 是一次性的，即 具有不可逆性，也就是現(xiàn)在人們常說(shuō) 的“凱塞效應(yīng)” ，是指材料 在加載、卸載后， 重新加載的期間， 加載的載荷不超過(guò)之前的最大載荷時(shí) 不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)則能實(shí)時(shí)反應(yīng)信號(hào)變化情況，本文以下著重介紹了聲發(fā)射技術(shù)的原理、應(yīng)用等。無(wú)損檢測(cè)（ Nondestructive Testing，縮寫為 NDT），是指在不影響設(shè)備正常運(yùn)行或者破壞構(gòu)件的性能時(shí)，檢查構(gòu)件內(nèi)部、外部缺陷或測(cè)量構(gòu)件無(wú)法直接觀察得到的特征的技術(shù)方法。僅從材料破壞失效特征來(lái)確定其損傷模式及損傷機(jī)制是比較困難的。因此，尋找復(fù)合材料分層損傷臨界值具有重要的分析意義。多向纖維復(fù)合材料中，由于其他鋪層的約束及分載的復(fù)雜應(yīng)力作用，其變形 將會(huì)有所約束，變形 程度將 受到 限制。這一現(xiàn)象的原因是 裂紋在開裂的過(guò)程中，在裂紋 尖端區(qū)域的樹脂基體出現(xiàn)了應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，此時(shí)這個(gè)區(qū)域的纖維鋪層承受單向拉伸應(yīng)力，但是如果樹脂基體的韌性較好 ，這種 橫向開裂的生長(zhǎng)將會(huì)延遲 。 通過(guò) 研究，多向?qū)雍习逯懈鱾€(gè)鋪層與相同方向的單向?qū)雍习逯械臄嗝嫣卣?基本一樣 。 （ 3）橫向拉伸失效 在橫向拉伸載荷下，復(fù)合材料有可能會(huì)出現(xiàn)只有樹脂基體發(fā)生損傷而纖維不破壞的情況，當(dāng) 單向纖維復(fù)合板 試件在受到橫向拉伸載荷時(shí)，在基體及層間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力 集中區(qū)域，最終樹脂基體或?qū)娱g由于承受不了這種應(yīng)力集中從而發(fā)生開裂，導(dǎo)致試件由于基體開裂或界面分層作用而發(fā)生失效，這種情況被稱為基體失效模式。在某種應(yīng)力條件下，斷面纖維干凈，可能是由于界面失效；然而相同材料和環(huán)境下，只改變應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，纖維卻覆蓋著基體，界面并沒(méi)有失效。 對(duì)于這一觀點(diǎn)，主要持兩種態(tài)度。同時(shí)，由于復(fù)合材料形式的多樣性，本文主要研究了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷特征， 并且分別分析了單向、多向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基本失效模式。復(fù)合材料由其具備防水隔熱的優(yōu)勢(shì)，此類復(fù)合材料包括平板、復(fù)合板 13 及裝飾板，可被應(yīng)用 在門窗等框型結(jié)構(gòu)中，也可作為裝飾材料被用于天花板、浮雕等處。樹脂基復(fù)合材料吸濕能力差，不易透水，經(jīng)常用于建筑中的給排水、防水等作業(yè)。 ④ 透光性佳。與傳統(tǒng)的粘鋼板補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相比較，連續(xù)纖維片復(fù)合的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?？梢宰鳛槟そY(jié)構(gòu)建筑材料，這種建筑材料，可以增加房屋功能，延長(zhǎng) 建筑壽命。 短纖維 長(zhǎng)度范圍 一般在幾個(gè)毫米到幾十個(gè) 毫米，短纖維增強(qiáng)混凝土與傳統(tǒng)的混凝土相比，有拉伸強(qiáng)度大、抗彎強(qiáng)度高、防裂性好的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常 用作裝飾板材或部件，還可以隨機(jī)摻入到砂漿中，能夠一定程度上替代鋼筋。鋁塑板 由于復(fù)合作用 11 產(chǎn)生的高性能、 建筑 現(xiàn)場(chǎng)施工可以 達(dá)到 的 生產(chǎn)技術(shù) ， 材料 需求量便于 獲取，并且 工期可得到大大縮短 等 特性，從而成為 這些 建筑 材料的 首選。 鋁塑板是一 種夾層復(fù)合材料，由經(jīng)處理的鋁板作為面材，聚乙烯作為芯材復(fù)合而成的。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，因此降低建設(shè)成本、提高建筑質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境等成了現(xiàn)代建 筑行業(yè)的 發(fā)展趨勢(shì) 。雖然宏觀的復(fù)合材料早期能滿足人們的需求，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求不斷提高，復(fù)合材料也從原始的宏觀復(fù)合，發(fā)展到現(xiàn)代的微觀復(fù)合材料。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。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。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。 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 。到 45176。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)。 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)。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。 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。 Delamination III 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................ 1 Abstract .............................................................................................................................. II 緒 論 ............................................................................................................................ 5 本課題的研究目的與意義 ............................................................................... 5 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè) ........................................................................................... 5 研究路線 .................................................