基于声发射技术的湿热环境下层状复合材料分层失效机理研究

摘要

碳纤维树脂基复合材料由于具有比强度和比刚度高等优点，在航空航天、压力容器、风力发电、船舶等领域具有广阔的应用前景。然而，复合材料失效机理复杂，包括纤维断裂、基体开裂、界面脱粘和分层失效等，尤其是分层失效将严重降低复合材料的刚度、强度和结构完整性，给复合材料轻量化设计和实际应用提出了较大挑战。目前，国内外发展了如声发射、超声、X射线等先进的非破坏性检测技术，其中声发射技术由于具有动态监测复合材料失效特性等优点，在复合材料领域应用日益广泛。国内外已经开展了基于声发射技术的复合材料失效机理研究，然而绝大部分研究均局限于单一物理场环境。由于复合材料结构实际应用时常常遇到高温、湿热等多物理场环境，失效机理更加复杂，相应的复合材料声发射测试技术和失效分析方法还不成熟，迫切需要开展相关基础研究工作。
　　本文运用声发射技术，分别开展了碳纤维复合材料层合板在常温、高温和湿热环境下的三点弯曲分层试验和声发射测试、以及分层声发射信号分析方法研究。通过分析幅值、能量和计数等声发射特征参数的响应规律，发展了上述环境下复合材料分层失效的声发射信号分析方法，研究了加载方式、结构尺寸、铺层角度等因素对复合材料结构分层失效机理和载荷响应的影响规律。具体研究工作如下:
　　首先，针对两种碳纤维树脂基复合材料T700/8911（碳纤维/双马来酰亚胺树脂）和T700/9916(碳纤维/环氧树脂)，分别设计了含层内和层间初始缺陷的复合材料试样。发展了常温、高温和湿热环境下复合材料Ⅰ/Ⅱ混合模式分层测试方法。
　　其次，开展了常温和70℃高温环境下T700/8911复合材料试样三点弯曲分层试验和声发射测试。通过分析载荷-位移曲线和声发射信号特征参数如能量、幅值、计数等响应规律，研究了加载方式、铺层角度和初始分层裂纹尺寸等因素对复合材料分层失效机理、力学性能劣化机理以及分层阻抗曲线的影响。
　　最后，开展了常温和湿热环境下T700/9916复合材料试样三点弯曲分层试验和声发射测试。通过分析载荷-位移曲线和声发射特征参数响应规律，并结合扫描电镜(SEM)、快速傅里叶变换(FFT)和小波能量谱分析，研究了复合材料分层失效过程中不同失效模式对应的声发射信号变化规律和分层阻抗曲线，总结出上述环境下的复合材料声发射信号分析方法，为多物理场载荷环境下碳纤维复合材料层合板结构的设计与应用提供支撑。

目录

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致谢

摘要

插图和附表清单

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 声发射技术概述

1．2．1 声发射检测技术原理

1．2．2 声发射检测技术的优点

1．2．3 纤维增强复合材料的声发射源

1．2．4 声发射信号的类型和基本特征

1．2．5 声发射信号处理方法

1．3 研究现状及存在问题

1．3．1 复合材料分层研究现状

1．3．2 湿热环境下复合材料研究现状

1．3．3 复合材料的声发射研究现状

1．4 本文研究内容

2 常温和高温环境下复合材料分层试验和分析

2．1 试验材料与试验设备

2．1．1 材料参数

2．1．2 试样制备

2．1．3 试验设备

2．2 T700／8911复合材料试样分层试验和声发射测试

2．3 T700／8911复合材料试样力学性能分析

2．3．1 高温环境下不同初始分层裂纹长度的对比分析

2．3．2 高温环境下不同铺层角度的对比分析

2．3．3 高温环境下SLB／OLB加载方式的对比分析

2．3．4 常温与高温环境下SLB加载对比分析

2．4 高温环境下T700／8911复合材料试样分层声发射信号分析

2．4．1 高温环境下[0°16∥0°16]试样分层声发射信号分析

2．4．2 高温环境下[130°16∥30°16]试样分层声发射信号分析

2．4．3 高温环境下[15°／-15°]3s∥[15°／-15°]3s试样分层声发射信号分析

2．5 高温环境下T700／8911复合材料试样分层能量释放率

2．5．1 分层初始时能量释放率

2．5．2 分层R曲线

2．6 本章小结

3 常温和湿热环境下复合材料分层试验和分析

3．1 试验材料

3．2 复合材料湿热老化

3．3 T700／9916复合材料试样分层试验和声发射测试

3．4 试样断口形貌

3．5 T700／9916复合材料试样力学性能分析

3．5．1 常温环境下力学性能分析

3．5．2 湿热环境下力学性能分析

3．5．3 SLB加载下环境对试样力学性能的影响分析

3．5．4 OLB加载下环境对试样力学性能的影响分析

3．6 湿热环境下T700／9916复合材料试样分层声发射信号分析

3．6．1 湿热环境下[0°16∥0°16]试样分层失效声发射信号分析

3．6．2 湿热环境下[0°／90°]4s∥[0°／90°]4s试样分层失效声发射信号分析

3．6．3 湿热环境下[15°／-15°]4s∥[15°／-15°]4s试样分层失效声发射信号分析

3．7 湿热环境下T700／9916复合材料试样分层能量释放率

3．7．1 分层初始时能量释放率

3．7．2 分层R曲线

3．8 本章小结

4 湿热环境下复合材料分层声发射信号频谱分析

4．1 傅里叶变换基本原理

4．1．1 连续傅里叶交换

4．1．2 离散傅里叶交换

4．1．3 声发射信号频谱分析

4．2 小波包基本理论

4．2．1 小波包基定义及分解

4．2．2 子频带信号能量计算

4．3 基于小波包能量谱的声发射信号分析

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果和参与的科研项目