纤维增强复合材料损伤演化行为监测及内部可视化测量

• 作 者: 秦礽
• 机 构: 河北大学
• 出 处: 河北大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 复合材料层合板 分层 三维编织复合材料 声发射 显微CT 聚类分析 内部损伤可视化

纤维增强复合材料具有质地轻、耐腐蚀、比强度高及可设计性强等优良性能,能够满足日常生活及工程应用等环境下的工作条件。因此,被广泛地应用于机械制造、航空航天、交通运输、石油化工等领域。然而,由于复合材料层合板典型的层状结构,其在制造、运输和服役过程中极易产生分层缺陷。分层的存在将直接影响复合材料层合板的力学性能,因此,对复合材料的分层损伤机理及其损伤演化规律的研究是层合板质量检测的重要内容。三维编织复合材料的增强纤维在三维空间呈多向分布,能够有效地克服层合板复合材料层间性能较差的问题。然而,目前针对三维编织复合材料在外部载荷作用下内部损伤机制的渐进演化过程及其可视化的分析仍然缺乏深入研究。因此,为保证三维编织复合材料在服役过程中的可靠性,对其动态损伤演化过程和渐进失效机制可视化的研究具有重要现实意义。本文利用声发射检测技术和显微CT技术分别对含对称多分层复合材料层合板和含近表面分层复合材料层合板的弯曲破坏行为及三维编织复合材料渐进拉伸损伤演化行为进行了聚类分析和内部损伤可视化研究。结果表明:（1）含对称多分层复合材料的三点弯曲破坏研究表明:增强纤维种类、纤维取向差异、孔隙率大小均是影响层合板应用可靠性的重要因素。对称多分层缺陷的存在会弱化材料的力学性能,并且会加剧复合材料对自然老化条件的敏感程度。聚类结果显示,低频、中频和高频信号簇分别与基体开裂、界面损伤和纤维断裂有关。（2）含近表面分层复合材料的弯曲失效分析显示:嵌入分层的存在会导致材料在弯曲致压缩作用下呈现出强烈的屈曲倾向。相对于三点弯曲,纯弯曲状态下的复合材料具备更稳定的承载结构。另外,复合材料破坏时的能量释放特征与力学曲线的突变率相关。聚类结果显示,基体损伤（40-120 k Hz）、界面损伤（120-160 k Hz）和纤维损伤（160-200 k Hz）为复合材料中存在的三种损伤机制,且高能量信号基本均与界面损伤相关,与纤维损伤相关的声发射信号具有低幅度和低能量的特征。（3）三维编织复合材料渐进损伤可视化及拉伸失效分析显示:渐进拉伸加载能够降低材料的刚度稳定性和极限承载能力。裂纹紧缩和载荷波动分别是试件失稳破坏和灾难性破坏的前兆。聚类与可视化结果表明,材料主要经历了基体裂纹（0-150 k Hz）和界面损伤（150-300 k Hz）的萌生和扩展,但失效破坏时多种损伤机制同时出现。（4）AE监测结果能够反映损伤的起始和演化过程,聚类分析能够实现损伤模式识别,显微CT获得的内部损伤可视化结果能够实现对聚类损伤机制的直接验证。