海水老化后纤维增强复合材料变形损伤测量研究

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复合材料因其比强度高、比刚度大、质地轻等优异的性能,被广泛应用于航空、汽车、海事等领域,但复合材料长期服役在海水、湿热、高温等环境条件下,其部分性能会变差,从而影响其使用寿命,本文对碳纤维平纹编织复合材料、玻璃纤维平纹编织复合材料和不同铺层方式的碳/玻混杂复合材料试件进行人工海水浸泡老化,利用声发射技术和数字图像相关方法对海水老化后复合材料试件的弯曲加载破坏过程进行实时监测,得到了海水老化后不同类型复合材料试件在弯曲载荷下的声发射响应行为和变形场信息,分析了老化后纤维增强复合材料的弯曲变形损伤行为,结论主要如下:(1)老化1344 h的碳纤维复合材料试件的弯曲强度最低,根据声发射信号幅值、撞击累计数、持续时间等特征参数信息及数字图像相关变形场信息可以得到,老化时间越久的试件在弯曲承载时,产生的声发射信号幅度更大,产生高持续时间声发射信号的时刻提前,信号撞击累计数直线上升的时刻更早。老化1344 h的试件产生的幅度为40-60dB的声发射信号几乎最为密集,且60 dB以上的信号最多。材料在低水平载荷状态下的水平方向最大应变值随老化时间增加呈递增趋势,老化1344 h的材料加载方向表面应变值高达26.698%,且材料高应变区域范围增大。(2)玻纤增强复合材料的弯曲强度随老化时间增加呈现逐渐下降趋势,最终弯曲强度保持率为80.53%。根据声发射信号数量及幅值大小,不同老化时间的试件损伤过程划分为损伤积累阶段和损伤破坏阶段。相较于老化0、168和336 h的试件,老化672、1008和1344 h的试件在损伤积累阶段产生的声发射信号的数量更少,能量更低,持续时间更短,在损伤破坏阶段采集到的80-100 dB的声发射信号逐渐减少。根据应变场信息可以得到,老化1008和1344 h的材料拉压应变差值最大,分层范围及程度更为明显,试件上表面分层损伤更为严重。(3)老化1344 h后的碳/玻混杂复合材料的承载能力降低,铺层顺序分别为[CCGG]S、[GGCC]S、[GCGC]S和[CGCG]S的复合材料抗弯强度下降百分比分别为14.9%、9.43%、6.83%和8.90%。表层为碳纤维的老化试件在弯曲损伤初始阶段即产生幅度高于80 dB的声发射信号,而表层为玻璃纤维的老化试件在损伤初始阶段产生的声发射信号幅值低于60 dB;单层层间混杂复合材料老化后的抗弯强度下降百分比低于双层层间混杂复合材料,双层层间混杂材料老化前后产生弯曲损伤声发射信号数量近似相同,而单层层间碳/玻混杂试件老化后的弯曲变形损伤声发射信号数量远低于未老化试件;材料老化后会降低界面强度,界面失效所需能量降低,受压位置处上下表面分层损伤更易出现。(4)声发射技术和数字图像相关方法是研究复合材料老化后弯曲变形损伤行为的有效途径,对保证海水环境下纤维增强复合材料结构件的长期服役及结构健康监测有指导意义。
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