【正文】 應(yīng)力時，試樣主要的失效 形式是剪切屈曲，還有一部分可能會產(chǎn)生分層損傷和磨損。纖維的失效形式影響著最終的失效方式。 （ 2）縱向壓縮失效 因為樹脂基體和纖維的泊松比不同，所以當(dāng)外部對試件施加縱向壓力時，試件內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的拉伸應(yīng)力。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，纖維卻覆蓋著基體，界面并沒有失效。 Bailey 和 Bader 證明不能僅僅根據(jù)斷裂面纖維的干凈與否來判斷纖維和 基體間的強(qiáng)度。但是這個小區(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，所以這個區(qū)域可能是整個失效斷裂的裂紋源，也可能是在全局裂紋產(chǎn)生之后對裂紋擴(kuò)展起到推動作用的部分。另一個則是以 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。 對于這一觀點，主要持兩種態(tài)度。部分研究者提出在同一應(yīng)力下， 纖維從基體中 抽出 的 長度 會 隨著環(huán)境參數(shù) 如溫度濕度的改變而改變，通常是 成 正比關(guān)系 。 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。 為 盡量減少復(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。同時，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)合材料的失效與金屬的單一斷裂失效模式不同，有多種失效形式，如基體開裂、纖維斷裂及分層等，并且受多種因素影響，纖維和樹脂的參數(shù)性能、結(jié)構(gòu)順序及使用環(huán)境等都對復(fù)合材料的失效有影響。 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。 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]。復(fù)合材料由其具備防水隔熱的優(yōu)勢，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。玻璃鋼樹脂基體具有一定的透光性，可以用于制備透明及半透明結(jié)構(gòu)板，被應(yīng)用于各種工廠車間、民用建筑的采光罩、遮陽板等，在農(nóng)業(yè)上搭建溫室也有涉及。主要有波紋板、夾層板等制品。 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。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)。 ⑧ 玻璃鋼有抗微生物作用，耐酸堿等有機(jī)溶劑及海水腐蝕的特殊能力。能夠一定程度上消除音波，一些專門設(shè)計的夾層結(jié)構(gòu)，不僅可以隔音還可以隔熱。 ⑤ 有較好的隔熱性能。 ④ 透光性佳。 ③ 裝飾效果好。 樹脂基復(fù)合材料 主要特點為 ： 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，這是材料的可設(shè)計性。 （ 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)。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。不同的纖維復(fù)合材料因其性能的差異，適用于不同的環(huán)境。 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)。 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?？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 建筑壽命?？椢镌诓牧现凶鳛楣羌?，承擔(dān)著復(fù)合材料受力，影響著材料的抗張力、抗撕裂力、尺寸穩(wěn)定性等；而 涂層劑 通過覆蓋在織物表面，從而 對 材料表面 起到了 保護(hù)作用及改性作用。 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。 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。 短纖維 長度范圍 一般在幾個毫米到幾十個 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，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。 目前 常用 的纖維增強(qiáng)材料 按照 材料 組成主要分為 碳纖維、芳綸和丙綸 。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， 對混凝土的要求也越來越高 。纖維材料有許多優(yōu)點，如可設(shè)計性能好 ， 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 過載安全性。鋁塑板 由于復(fù)合作用 11 產(chǎn)生的高性能、 建筑 現(xiàn)場施工可以 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。 加拿大安大略省的溫莎市 娛樂場 的 外墻建筑裝飾 材料 也是選用了鋁塑 復(fù)合材料 ，由 大約 2 萬 片 鋁塑板 拼接而成。 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。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，廣泛用于墻壁的裝修、舊樓翻新改造等。 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。 鋁塑復(fù)合管由于其獨特的材料結(jié)構(gòu)，具有 比強(qiáng)度比 模量高、耐腐蝕 性 好、可彎曲性好、脆化溫度低、質(zhì)量輕、耐熱性 及 隔熱保溫性能好、阻燃、屏蔽和抗靜電、節(jié)省能源的特點。鋁塑復(fù)合管一般可在 75～ 110℃條件下長期使用，盡管是在 95℃ 時其仍具有較高的爆破應(yīng)力，達(dá) 8MPa。 （ 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。隨著社會的發(fā)展，人們對居住環(huán)境的要求越來越高，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 。以下著重介紹幾種復(fù)合材料，并說明其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)。因為熱穩(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；因為有減振和降噪的功能，抗疲勞性好，故汽車中常用與座椅、車身的制造；因為有抗腐蝕性，常用于石油、天然氣運(yùn)輸管道；為了實現(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]。標(biāo)志著人類對復(fù)合材料的認(rèn)識進(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。雖然宏觀的復(fù)合材料早期能滿足人們的需求，但是隨著社會的發(fā)展，對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。這些都是材料的宏觀復(fù)合，也就是原始的復(fù)合材料。 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。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。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(kuò)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(yīng)用中通常用纖維作為增強(qiáng)相。是用陶瓷作為基體的復(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。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。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。 ④ 混雜復(fù)合材料。 ③ 細(xì)粒復(fù)合材料。可以根據(jù)人們的實際需要，來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)。由性質(zhì)或者結(jié)構(gòu)不同的材料通過分層組合制成的。此類復(fù)合材料目前比較常用。 (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)特點又分為： ① 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。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，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)合材料是一種多相態(tài)材料，主要包括基體相和增強(qiáng)相 。從而為復(fù)合材料在建筑上的安全使用及剩余強(qiáng)度評估提供一定的借鑒。 項目創(chuàng)新點 本項研究對復(fù)合材料分層缺陷的無損檢測與剩余強(qiáng)度評估，早期損傷預(yù)報、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和服役的可靠性評估具有重要參考價值。并且改變不同分層深度和分層型式， 分別用萬能試驗機(jī)和聲發(fā)射儀監(jiān)測材料的力學(xué)性能及聲發(fā)射信號。到 45176。并用萬能拉壓試驗 機(jī)對含分層缺陷復(fù)合材料進(jìn)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。所以，本文利用聲發(fā)射檢測的這一特點，對復(fù)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(kuò)展的情況。從而對整個系統(tǒng)進(jìn)行安全評價、危險預(yù)估，減少由于材料失效造成的事故。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(yùn)動到強(qiáng)烈的波動。所以在材料服役期間對其進(jìn)行安全評價和風(fēng)險預(yù)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(jī)理的有效方法 [12]。 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。 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)測研究，提出針對近海復(fù)合材料實時監(jiān)測的可行性。 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(jìn)一步提出針對復(fù)合材料損傷分級和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究的模式識別系統(tǒng)。 Dutton 和 Blanch 等 [8]利用聲發(fā)射技術(shù)對加載過程進(jìn)行實時監(jiān)測，通過對復(fù)合材料進(jìn)行靜力、疲勞和剩余強(qiáng)度測試，分析相應(yīng)聲發(fā)射信號響應(yīng)行為，對復(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的出現(xiàn)代表復(fù)合材料失效破壞。隨著計算機(jī)和信號處理技術(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(yīng)堆的安 全性評估以及斷裂力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域。而復(fù)合材料分層缺陷的演化行為研究，應(yīng)建立在對分布特征和缺陷演化的動態(tài)響應(yīng)特性有全面認(rèn)識的基礎(chǔ)上。此外，隨著超聲相控陣等無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料檢測中的應(yīng)用，將進(jìn)一步推動其分層缺陷的表征。 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(fù)合材料表面緊密貼合，可降低超聲傳感器自反射的影響，并且延長了復(fù)合材料內(nèi)部多層組織結(jié)構(gòu)缺陷的反射?？捎糜趶?fù)合材料的無損檢測技術(shù)主要包括激光剪切散斑、 X 射線、紅外熱成像和超聲檢測等 [6]。因此，復(fù)合材料分層型式及損傷階段的識別對復(fù)合材料分層等界面缺陷的無損檢測與剩余強(qiáng)度評估具有重要意義 [5]。 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。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]。 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。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。 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)合材料無損檢測 ........................................................................................... 5 研究路線 ........................................................................................................... 7