【正文】 其在這些裂紋源萌發(fā)并且擴(kuò)展的過程中，都會(huì)產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射儀器可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取聲發(fā)射響應(yīng)信號(hào)。 最后 對(duì)層合板 機(jī)械加工 切割 形成復(fù)合材料條形拉伸試件。 為了獲得比較有代表性的數(shù)據(jù)， 本實(shí)驗(yàn) 制作了多組試樣并取其平均值 。 （ 2） 啟動(dòng)聲發(fā)射檢測(cè)儀的控制及數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置頁面，按照提示進(jìn)行采集參數(shù)的設(shè)置。 （ 7） 將 已 固定好探頭的試樣預(yù)加載到實(shí)驗(yàn)機(jī)上，裝載的過程要注意觀測(cè)計(jì)算機(jī)界面上的預(yù)加載載荷，該載荷不能過大，以防損壞試樣。 27 4 結(jié)果與討論 不同鋪層方向結(jié)果分析 斷口形貌分析 實(shí)驗(yàn)對(duì)三種不同鋪層方向的試件進(jìn)行加載， 觀察試件破壞形貌，發(fā)現(xiàn) 0176。更大，其剖面均為 45176。在 50s350s 時(shí)，載荷的變化呈線性，聲發(fā)射事件數(shù)較少，幅度也有大于 60dB 的出現(xiàn)，但是小于 70dB。 分析 0176。與0176。 （ 9） 同時(shí)點(diǎn)擊拉伸試驗(yàn)開始按鈕和聲發(fā)射儀的數(shù)據(jù)采集按鈕，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 （ 5） 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)采用 兩 個(gè) 傳感器， 在傳感器和試樣的標(biāo)記處分別均勻涂抹凡士林或真空耦合劑， 將探頭與試件間的空隙進(jìn)行充分貼合 ， 減少 探頭 和 試件 表面的聲阻抗，從而減少檢測(cè)界面的能量損失，同時(shí)起到潤滑的作用。在 Ⅰ 型分層破壞實(shí)驗(yàn) 的過程中，采用一個(gè)聲發(fā)射傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)，為增強(qiáng)探頭接收效果，采用耦合劑將探頭與試件間的空隙進(jìn)行填補(bǔ)，使其充分貼合。在預(yù)浸料鋪設(shè)時(shí)， 預(yù)先分別在 預(yù)浸料 第 5 層 、 第 10 層和第 20 層上表面中心處 放置長度為 16 mm 寬度為 30mm 的 塑料薄膜用于預(yù)制分層缺陷 。 可見，聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)、波形形態(tài)、持續(xù)時(shí)間 、 上升時(shí)間、幅度、能量等 數(shù)據(jù) 都是反映復(fù)合材料損傷階段、機(jī)理 、 程度的重要 參考依據(jù) 。因而在復(fù)合材料使用之前和使用過程中的健康監(jiān)測(cè)及早期預(yù)警具有重要的意義。研究表明，聲發(fā)射的實(shí)質(zhì) 就是 瞬態(tài)彈性波。連續(xù)型信號(hào)通常出現(xiàn)在金屬材料 受載發(fā)生 塑性變形，流體泄漏過程監(jiān)測(cè)等 [39,40]。 聲發(fā)射應(yīng)力波是由于局部能量不穩(wěn)定釋放，從而聲發(fā)射信號(hào)中會(huì)含有結(jié)構(gòu)或材料缺陷的信息，通過傳感器檢測(cè)及相應(yīng)系統(tǒng)分析聲發(fā)射信號(hào)，可以對(duì)材料內(nèi)部的損傷進(jìn)行程度評(píng)級(jí)及聲發(fā)射源定位。 與外國的聲發(fā)射技術(shù)研究相比較，我國的聲發(fā)射研 究工作相對(duì)起步較晚，從 1973年才正式開始，當(dāng)時(shí)我國的斷裂力學(xué)研究正是處于高峰期，利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)來監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)裂紋擴(kuò)展情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 70 年代末，聲發(fā)射檢測(cè)儀器終于實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了顯著的擴(kuò)展。 美國 Dunegan 對(duì)聲發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步做出了突出的貢獻(xiàn)，他首次將測(cè)試儀器頻率調(diào)到 ，而在此之前多數(shù)研究者 由于針對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)去噪沒有找到好的方法，因此在音頻的范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè) 不能達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)材料發(fā)生破壞的過程中，這種彈性波也會(huì)隨之發(fā)生一些動(dòng)態(tài)的變化，只要在材料表面安放傳感強(qiáng)，就能接受到破壞過程中可檢測(cè)到的物理特征。因此，如何在材料發(fā)生失效損傷之前預(yù)防，成了安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題所在。 Ⅰ 型及 Ⅱ 型分層示意圖如圖 所示。 復(fù)合材料的分層型式 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造過程中因?yàn)椴煌耆墓袒^程、外來微粒的進(jìn)入、不連續(xù)處層間 應(yīng)力的存在以及 在制備過程中可能發(fā)生的各種情況而造成的損傷， 這些分層損傷的存在，使得層合板在外載作用下，特別是彎曲載荷作用下，發(fā)生分層的局部彎曲，進(jìn)而引起分層擴(kuò)展，造成層合板的承載能力下降。層合板 在受到單向拉伸應(yīng)力的時(shí)候，單層的剪切失效的損傷特征表現(xiàn)的較為明顯，每個(gè)纖維鋪層所承受的載荷 大小約為施加載荷大小的二分之一 ，其應(yīng)力狀態(tài)為幾乎純剪切。 （ 2）單層的壓縮失效 當(dāng)復(fù)合材料受到壓縮應(yīng)力時(shí)，層合板主要的損傷 歷程 與單層拉伸失效不同。 一般剛開始產(chǎn)生的 裂紋 開口 較大，而 由 寬到窄就是裂紋擴(kuò)展 的 方向。 （ 5）剪切失效 剪切失效現(xiàn)象一般出現(xiàn)于垂直于復(fù)合材料橫截面的方向，通常是 纖維鋪層之間的樹脂，或者是纖維與浸潤樹脂之間的界面，該界面的連續(xù)性與完整性對(duì)材料所能承受的剪切應(yīng)力有 著十分重要的作用。因此單向?qū)雍习逶谑軌簯?yīng)力的作用下，會(huì)發(fā)生沿纖維方向在基體內(nèi)或界面上產(chǎn)生斷裂的想象。就以上分歧， Purslow 先對(duì)復(fù)合材料失效過程中單個(gè)纖維的失效方向進(jìn)行分 析，并結(jié)合與之搭接的纖維絲以及其相連基體的斷裂形貌，可以得出一個(gè)小范圍內(nèi)的裂紋擴(kuò)展方向。復(fù)合材料失效分析 通過對(duì) 材料 破壞 最終的損傷特征 進(jìn)行 分析 ，研究其 損傷模式 ， 對(duì)材料失效的早期預(yù)警具有重要意義 。 因此樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量、透光隔音、成本較低等優(yōu)勢(shì)，較其他復(fù)合材料在建筑方面得到了更為廣泛的應(yīng)用。 ② 作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料由于其具有保暖隔音的作用，可作為建筑的外墻板，隔墻板等。 ⑥ 隔音。我國樹脂基復(fù)合材料的 起始于上個(gè) 世紀(jì) 60 年代 ， 經(jīng)過 幾十年的發(fā)展， 生產(chǎn) 技術(shù) 趨于 成熟，復(fù)合材料 種類 不再單一化，生產(chǎn)規(guī)模也 得到 擴(kuò)大， 復(fù)合材料 產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第二位， 在建筑業(yè) 方面 得到了 較為廣泛的應(yīng)用 ，所 占比重為 百分之 40 以上 [21]。綜上，可以看出涂層織物在建筑中非常常見，可以用作膜結(jié)構(gòu)建筑材料、蓬蓋布、軟性屋頂?shù)?。所以纖維增強(qiáng)混凝土 能夠 滿足了建筑對(duì)鋼筋的要求，有效解決建筑可能會(huì)出現(xiàn)的受力的問題，鋼材銹蝕現(xiàn)象也能避免，近年來此類事故發(fā)生率有了顯著降低，得到很好的控制。因此在建筑施工中經(jīng)常用 到的纖維復(fù)合材料 [19,20]。 因此 ，鋁塑復(fù)合材料 由于 上述 優(yōu)良 的性能， 首次在建筑 材料裝飾領(lǐng)域 應(yīng)用就 得到了人們的廣泛關(guān)注， 并 迅速風(fēng)靡 全球。鋁塑復(fù)合管是由聚乙烯、鋁管和鋁管壁上的黏結(jié)劑幾種物質(zhì)復(fù)合而成。 復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用 由于復(fù)合材料基體相與增強(qiáng)相的不同組合，其性能特點(diǎn)也不盡相同，所以在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。常用的樹脂基復(fù)合材料有熱固性和熱塑性兩種?；w金屬不同，其使用溫度也不相同 。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。 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。 結(jié)合萬能試驗(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。 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)這一過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和記錄，可通過其聲發(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)。國內(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)。 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)，是一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)。 復(fù)合材料無損 檢測(cè) 通過對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測(cè)，可獲取其分層缺陷的分布特征。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]。 本文還對(duì)纖維鋪向不同的試樣 在進(jìn)行 三點(diǎn)彎曲破壞 的時(shí)候，利用 聲發(fā)射 技術(shù)對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè) ， 對(duì)樣本不同的破壞形式通過數(shù)據(jù) 分析的方法 進(jìn)行比較、區(qū)別 。然而復(fù)合材料在制造工藝及各向載荷的影響下，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中難免出現(xiàn)纖維斷裂、分層等結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂或失穩(wěn)破壞。針對(duì)這一問題，本文采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)加載破壞條件下的含分層復(fù)合材料進(jìn)行健康檢測(cè)。試驗(yàn)監(jiān)測(cè) 結(jié)果表明，不同試樣 的 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 隨著試驗(yàn)的進(jìn)程 表現(xiàn)出明顯 的 不同，聲發(fā)射中的信號(hào) 變化 以及信號(hào)特 點(diǎn) （包括幅度、能量、持續(xù)時(shí)間）也有著明顯的不同，而且從聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)特征來看 ，試樣 的損傷破壞 隨著 階段性 的變化 ，信號(hào)的特 點(diǎn)也有所不同 。 然而近年來，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)過程中損壞，引發(fā)建筑物結(jié)構(gòu)破壞事故的問題日益突出，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?？捎糜趶?fù)合材料的無損檢測(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]。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。 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。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。 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。 (1)復(fù)合材料按其組成分為： ① 金屬與金屬復(fù)合材料 ② 非金屬與金屬復(fù)合材料 ③ 非金屬與非金屬復(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。 ③ 細(xì)粒復(fù)合材料。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。 復(fù)合材料的發(fā)展歷史及在建筑中的應(yīng)用 復(fù)合材料的發(fā)展歷史 早在幾千年以前，中國古代人將草夾雜在土坯里面作為墻體的材料，使得墻體更加牢固，這與現(xiàn)代的復(fù)合材料工藝有異曲同工之處；中國沿用至今的漆器工藝，是用麻絨或絲絹來增強(qiáng) 漆，使得漆器色澤可以歷久彌新。因?yàn)闊岱€(wěn)定性好，比強(qiáng)度高、比剛度高，航空航天中常用于機(jī)翼、部分機(jī)身的制造；因?yàn)橛袦p振和降噪的功能，抗疲勞性好，故汽車中常用與座椅、車身的制造；因?yàn)橛锌垢g性，常用于石油、天然氣運(yùn)輸管道；為了實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)的現(xiàn)代化，減輕建筑材料的自重，減少建造成本，復(fù)合材料在建筑工業(yè)也是必不可少的；電力行業(yè)，如風(fēng)電葉片就是復(fù)合材料； 在醫(yī)藥上的用途等 [1518]。鋁塑復(fù)合管一般可在 75～ 110℃條件下長期使用，盡管是在 95℃ 時(shí)其仍具有較高的爆破應(yīng)力，達(dá) 8MPa。 鋁塑板 在美國 過街天橋 的 首次應(yīng)用是作為墻板出現(xiàn)，采用了多于 2 萬平方英尺的 4 毫米厚的有色鋁塑復(fù)合板。以下介紹纖維復(fù)合材料在建筑施工中的不同用途： ① 纖維復(fù)合材料增強(qiáng)混凝土 由于建筑的樓層越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜， 對(duì)混凝土的要求也越來越高 。 ② 纖維復(fù)合材料的涂層織物 涂層織物是一種將高分子的涂層劑或其他材料覆蓋在織物表面上的復(fù)合材料。 ③ 用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的纖維復(fù)合材料 在建筑中用纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料的形式主要是纖維 片材修補(bǔ)、補(bǔ)強(qiáng)。 樹脂基復(fù)合材料 主要特點(diǎn)為 ： ① 樹脂基復(fù)合材料可根據(jù)具體使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是材料的可設(shè)計(jì)性。能夠一定程度上消除音波，一些專門設(shè)計(jì)的夾層結(jié)構(gòu)，不僅可以隔音還可以隔熱。主要有波紋板、夾層板等制品。 纖維復(fù)合材料的損傷失效形式 隨著復(fù)合材料應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在建筑工程領(lǐng)域，然而由于材料結(jié)構(gòu)的損傷與失效帶來的事故也越來越多。 目前建筑上廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料為多向纖維鋪層結(jié)構(gòu)，因此，為了解層合板最終失效斷裂特征，應(yīng)先研究單向纖維層合板的失效模式。但是這個(gè)小區(qū)域的裂紋擴(kuò)展方向往往和全局的裂紋擴(kuò)展方向不相符，所以這個(gè)區(qū)域可能是整個(gè)失效斷裂的裂紋源，也可能是在全局裂紋產(chǎn)生之后對(duì)裂紋擴(kuò)展起到推動(dòng)作用的部分。纖維的失效形式影響著最終的失效方式。 15 多向?qū)雍习宓幕臼Ｊ? 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞斷裂均為各種微觀損傷累積所致。 微裂紋形成的主要原因是在荷載的作用下，最初 纖維 會(huì)對(duì)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展起到 阻止 的作用 ， 而且 裂紋 的發(fā)展趨勢(shì)是沿著纖維到基體的界面方向進(jìn)行的 。當(dāng)受到壓縮載荷時(shí)，首先是 0176。 觀察復(fù)合材料斷裂形貌發(fā)現(xiàn)，剪切失效模式在與纖維平行和垂直 的方向上均 有所表現(xiàn) 。所以分層損傷對(duì)復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度、剛度的影響是非常大的 [23]。 (a)Ⅰ 型 (a)Mode Ⅰ (b)Ⅱ 型 (b)Mode Ⅱ 圖 Ⅰ 型及 Ⅱ 型分層示意圖 17 Fig. Mode Ⅰ and mode Ⅱ of delamination Ⅰ 型損傷 (張開型 )， Kunigal Shivakumar 等提出編織纖維 /乙烯基樹脂復(fù)合材料層合板 Ⅰ 型斷裂有三個(gè)過程：起始、線性和最終斷裂 [27]。目前，有效的方法就是對(duì)工件進(jìn)行定期的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，在發(fā)生事故之前修復(fù)或者替換問題工件，從而來確保工件在服役周期內(nèi)能一直出于安全狀態(tài)。因此檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)，可以用來判斷構(gòu)件或設(shè)備的肉眼無法識(shí)別的狀態(tài)。因此 Dunegan 等人的工作在某種程度上為聲發(fā)射技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)場(chǎng)提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)的聲發(fā)射檢測(cè)儀器開始出現(xiàn)，并且在儀器、大型構(gòu)件的監(jiān)測(cè)方面取得了初步的成功。目前，我國的聲發(fā)射技術(shù)在研究和應(yīng)用方面都取得了較大發(fā)展。將用聲發(fā)射儀器采集、記錄并分析聲發(fā)射信號(hào)，并利用所記錄的聲發(fā)射信號(hào)判斷應(yīng)力波及產(chǎn)生應(yīng)力波機(jī)制的技術(shù)稱為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)。 聲發(fā)射檢測(cè)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，基本上 不受材料的限制，因?yàn)?除 個(gè)別 材料， 在一定的條件下都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象， 而且可以通過信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)差對(duì)應(yīng)力源進(jìn)行定位。 關(guān)于這方面的 研究的主要就是研究瞬態(tài)彈性波的產(chǎn)生、在材料中的