復合材料的損傷

1. 復合材料損傷的特點和修理方法有哪些

復合損傷，復合修理

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2. 玻璃鋼是什麼材料

用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環氧樹脂與酚醛樹脂基體而形成的纖維強化塑料

玻璃鋼（FRP）亦稱作GFRP，即纖維強化塑料，一般指用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環氧樹脂與酚醛樹脂基體，以玻璃纖維或其製品作增強材料的增強塑料，稱為玻璃纖維增強塑料，或稱為玻璃鋼，不同於鋼化玻璃。

由於所使用的樹脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之別。質輕而硬，不導電，性能穩定，機械強度高，回收利用少，耐腐蝕。可以代替鋼材製造機器零件和汽車、船舶外殼等。

(2)復合材料的損傷擴展閱讀：

現將玻璃鋼主要的應用領域，粗略地概括如下：

1、建築行業：冷卻塔、玻璃鋼門窗New、建築結構、圍護結構、室內設備及裝飾件、玻璃鋼平板、波形瓦、裝飾板、玻璃鋼蓋板、衛生潔具及整體衛生間、桑拿浴室、沖浪浴室、建築施工模板、儲倉建築、混凝土模板、筋材以及太陽能利用裝置等。

2、化學化工行業：耐腐蝕管道、貯罐貯槽、耐腐蝕輸送泵及其附件、耐腐閥門、格柵、通風設施，以及污水和廢水的處理設備及其附件等等。

3、汽車及鐵路交通運輸行業：汽車殼體及其他部件，全塑微型汽車，大型客車的車體外殼、車門、內板、主柱、地板、底梁、保險杠、儀表屏，小型客貨車，以及消防罐車、冷藏車、拖拉機的駕駛室及機器罩等。

4、鐵路運輸方面，有火車窗框、車內頂彎板、車頂水箱、廁所地板、行李車車門、車頂通風器、冷藏車門、儲水箱，以及某些鐵路通訊設施等。

5、公路建設方面，有交通路標、隔離墩、標志樁、標志牌、公路護欄等等，船艇及水上運輸行業。

6、內河客貨船、漁船、氣墊船、各類遊艇、賽艇、高速艇、救生艇、交通艇，以及玻璃鋼航標浮鼓及系船浮筒等等。

7、電氣工業及通訊工程：有滅弧設備、電纜保護管，發電機定子線圈和支撐環及錐殼，絕緣管、絕緣桿，電動機護環，高壓絕緣子，標准電容器外殼，電機冷卻用套管，發電機擋風板等強電設備；配電箱及配電盤，絕緣軸，玻璃鋼罩等電器設備；印刷線路板、天線、雷達罩等電子工程應用。

3. 復合材料損傷的特點和修理的方法有哪些

復合損抄傷，復合修理

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4. 復合材料層合板都有哪些損傷形式

層合板設計的一般原則
（1）均衡對稱鋪設原則
除了特殊需要外，結構一般均設計成均衡對稱層合板形式，以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起固化後的翹曲變形。如果設計需要採用非對稱或非均衡鋪層，應考慮工藝變形限制。將非對稱和非均衡鋪層靠近中面，可減小層合板工藝變形。
（2）鋪層定向原則
在滿足受力的情況下，鋪層方向數應盡量少，以簡化設計和施工的工作量。一般多選擇 0°、 90° 和 ±45°等4種鋪層方向。如果需要設計成准各向同性層合板，可採用 或 層合板。對於採用纏繞成形工藝製造的結構，鋪層角（纏繞角）不受上述 角度的限制，但一般採用 纏繞角。
（3）鋪層取向按承載選取原則
鋪層的纖維軸向應與內力的拉壓方向一致，以最大限度利用纖維軸向的高性能。具體地說，如果承受單軸向拉伸或壓縮載荷，纖維鋪設方向一致；如果承受雙軸向拉伸或壓縮載荷，纖維方向按受載方向 0°、90°正交鋪設；如果承受剪切載荷，纖維方向按 +45°、 -45°成對鋪設；如果承受拉伸（或壓縮）和剪切的復合載荷情況，則纖維方向應按 0°、90°、+45°、-45°多向鋪設。90°方向纖維用以改善橫向強度，並調節層合板的泊松比。
（4）鋪設順序原則
主要從三方面考慮：應使各定向單層盡量沿層合板厚度均勻分布，避免將同一鋪層角的鋪層集中放置。如果不得不使用時，一般不超過4層，以減少兩種定向層的開裂和邊緣分層。如果層合板中含有 ±45° 層、 0° 層和 90° 層，應盡量在 +45° 層和 -45° 層之間用 0° 層或 90° 層隔開，在 0° 層和 90° 層之間用 +45° 層或 -45° 層隔開，並應避免將 90° 層成組鋪放，以降低層間應力。對於暴露在外的層合板，在表面鋪設織物或 ±45° 層，將具有較好的使用維護性，也可以改善層合板和壓縮和抗沖擊性能。另外，鋪設順序對層合板穩定性承載能力影響很大，這一因素也應考慮。
（5）鋪層最小比例原則
為使復合材料的基體沿各個方向均不受載，對於由方向為 0° 、 90° 、 ±45° 鋪層組成的層合板，其任一方向的最小鋪層比例應≥6%~10% 。
（6）沖擊載荷區設計原則
對於承受面內集中力沖擊部位的層合板，要進行局部加強。應有足夠多的纖維鋪設在層合板的沖擊載荷方向，以承受局部沖擊載荷。還要配置一定數量與載荷方向成 ±45° 的鋪層以便將集中載荷擴散。另外，還需採取局部增強措施，以確保足夠的強度。對於使用中容易受到面外沖擊的結構，其表面幾層纖維應均布於各個方向，相鄰層的夾角盡可能小，以減小基體受載的層間分層。對於仍不能滿足抗沖擊要求的部位，應局部採用混雜復合材料，如芳綸或玻璃纖維與碳纖維混雜。
（7）連接區設計原則
應使與釘載方向成±45°的鋪層比例≥40%，與釘載方向一致的鋪層比例大於25%，以保證連接區有足夠的剪切強度和擠壓強度，同時也有利於擴散載荷和減少孔 的應力集中。
（8）變厚度設計原則
在結構變厚度區域，鋪層數遞增或遞減應形成台階逐漸變化，因為厚度的突變會引起應力集中。要求每個台階寬度相近且≥60°，台階高度不超過寬度的1/10。然後在表面鋪設連續覆蓋層，以防止台階外發生剝離破壞。
（9）開口區鋪層原則
在結構開口區應使相鄰鋪層的夾角≤60°，以減少層間應力。開口形狀應盡可能採用圓孔，因為圓孔邊應力集中較小。若必須採用矩形孔，則拐角處要採用半徑較大的圓角。另外在開口時，切斷的纖維應盡可能少。

5. 復合材料損傷檢測一般用什麼顯微鏡

利用復合材料組成化合物的比熱數據和含量理論計算＝CP1×含量＋CP2×含量，然專後擬合得到所需溫度比熱屬。
DSC藍寶石法測試復合材料的比熱容，隨溫度的變化。熱研科技就是通過這個方法測試比熱容的，比較准確。

6. 非均質材料有效力學性能的細觀力學計算

一、有效特性和集中張量

考慮非均勻介質D中包含基體相Ω₀，橢球異質相Ω₁，Ω₂，…，Ω_n，如圖-3所示；異質相Ω_i的體積分數c_i=Ω_i/D，彈性張量為L_i。為求解非均勻介質材料的等效彈性

圖11-3 非均質材料D

模量，考慮如下兩類均勻邊界條件：

岩石斷裂與損傷

其中ε^∞、σ^∞為常應變和常應力張量；x為位置矢量；n為邊界s的外法線矢量。下面證明在均勻邊界條件作用下，除了邊界點附近可能有擾動存在，統計均勻的復合材料應力場與應變場也是統計均勻的。

非均勻介質D的等效彈性常數張量與等效柔度張量分別定義為

岩石斷裂與損傷

其中和分別為介質D的體積平均應力和體積平均應變，定義為

岩石斷裂與損傷

根據上述定義，平均應力和平均應變又可以表示為

岩石斷裂與損傷

岩石斷裂與損傷

式中c_i、和分別為第i相的體積分數、平均應力和平均應變；當i=0時為基體材料。

在均勻邊界條件式（11-20）下，可以證明有如下關系（Mura T，1987）：

岩石斷裂與損傷

在每一相中，有

岩石斷裂與損傷

將式（11-29）代入式（11-25）中，得

岩石斷裂與損傷

其中A_i為第i相材料的應變集中張量，定義為

岩石斷裂與損傷

則非均質材料的等效彈性模量為

岩石斷裂與損傷

採用相似的方法，可得非均質材料的等效柔度模量：

岩石斷裂與損傷

其中B_i為第i相材料的應力集中張量，定義為

岩石斷裂與損傷

綜上，非均質材料的等效彈性模量和等效柔度模量中，只有集中張量A_i和B_i為未知的。只要求出了集中張量，則復合材料的有效性能就可給出。一般地說，應力、應變集中張量與組分材料的性能和幾何形狀有關，細觀力學發展了一些近似方法來計算集中張量，下面詳細介紹。

二、Eshelby法

當異質夾雜比較稀疏時，可以忽略夾雜之間的相互作用。因此，該模型認為將每個夾雜放入的具有遠場應變ε^∞的均勻基體材料中；雖然考慮單個夾雜與基體的作用，但忽略夾雜之間的相互作用，認為基體材料有效應變為ε^∞、彈性模量為L₀（圖11-4）。則，根據等效夾雜原理有

岩石斷裂與損傷

第i相材料的應變場為

岩石斷裂與損傷

其中：

岩石斷裂與損傷

Eshelby張量S_i由基體的彈性模量L₀及第i相夾雜的幾何形狀與取向來計算。

對於均勻位移邊界條件：

圖11-4 Eshelby法模型（據Qu J et al.，2006）

岩石斷裂與損傷

有效應變：

岩石斷裂與損傷

因此：

岩石斷裂與損傷

則應變集中張量：

岩石斷裂與損傷

則當異質夾雜比較稀疏時，非均質材料的有效彈性模量為

岩石斷裂與損傷

三、Mori-Tanaka法

非均質材料在遠場受到均勻應力σ^∞的作用，此時整個材料有效應力場為σ^∞。對於形狀相同的均勻純基體材料，在上述同一邊界條件作用下，其應變場ε^∞可由下式來確定：

岩石斷裂與損傷

由於夾雜物的存在，實際復合材料基體內的應變場與均勻純基體內的應變場相差一個擾動值。Mori-Tanaka方法認為將單個夾雜置於承受真實有效應變場ε₀的基體中，而這種有效場與外加的遠場ε^∞不需一致（此法與Eshelby法區別），但基體材料彈性模量仍為L₀。則根據等效夾雜原理有

岩石斷裂與損傷

圖11-5 MoriTanaka法模型（據Qu J et al.，2006）

第i相材料的應變場為

岩石斷裂與損傷

式中的G_i與式（11-36）中的T_i具有相同的表示形式，見式（11-37）。

通過比較式（11-36）和式（11-45），可以發現：兩種方法的不同在於，Eshelby法給出了第i相材料的應變場與整體平均應變的關系，式（11-36）中的T_i為整體集中張量；而Mori-Tanaka法給出了第i相材料的應變場與基體材料平均應變的關系，式（11-45）中的G_i為局部集中張量。

為了求解有效彈性模量，需要給出局部與整體集中張量之間的關系。根據平均應變定義：

岩石斷裂與損傷

故有

岩石斷裂與損傷

綜合式（11-45）和式（11-47），有

岩石斷裂與損傷

其中：

岩石斷裂與損傷

因此，非均質材料的效彈性模量為

岩石斷裂與損傷

上述方法是Mori和Tanaka在1973年計算含有相變應變夾雜的材料中基體平均應力提出來的，解決了在有限體積分數下使用Eshelby場等效夾雜原理的基本理論問題。而後這種方法被廣泛應用於各種復合材料的有效性能預測。Mori-Tanaka法在一定程度上涉及了隨機分布的夾雜之間的相互作用。但是，對於具有有限夾雜體積含量的材料，每一夾雜都由基體和其他夾雜的混合體包圍著，而Mori-Tanaka法中的Eshelby張量是為嵌入無限大基體的單個夾雜而建立的，所以這一方法考慮相互作用較弱。

三、自洽法和廣義自洽法

自洽法的基本思想是：在計算夾雜內部應力場時，為了考慮其他夾雜的影響，認為這一夾雜單獨處於待求的有效介質中，而夾雜周圍有效介質的彈性常數和應變場恰好就是含夾雜非均勻材料的等效彈性常數和等效應變場（圖11-6）。

根據等效夾雜原理有

岩石斷裂與損傷

式中：

岩石斷裂與損傷

圖11-6 自洽法模型（據Qu J et al.，2006）

Eshelby張量由待求等效介質的彈性模量表示。則第i相材料的應變場為

岩石斷裂與損傷

上式中：

岩石斷裂與損傷

則整體應變集中張量

岩石斷裂與損傷

相應地，非均質材料的有效彈性模量為

岩石斷裂與損傷

在上述模型中，無限大有效介質（復合材料）內的平均應變（應力）場就是有效應變（應力）場，因此這個模型是自洽的。需要注意的是，應變集中張量A_i中，含有未知的有效彈性系數，在實際應用中，需要採用迭代求解才能得到有效性能。

自洽法能夠預測含多相夾雜非均勻材料有效性能，但存在一定缺陷，特別當夾雜與基體的彈性常數相差較大時，偏差非常顯著（杜善義等，1998）：當離散相為孔穴，孔隙率達到0.5時，自洽法給出的等效剪切模量和體積模量為零；對於剛性夾雜嵌在不可壓縮材料的情形，自洽法給出的等效體積模量為零，而等效剪切模量在夾雜體積分數大於0.4時趨於無窮大；此外，在極端條件下，如夾雜體積分數比較大，自洽法的結果也不可靠。造成這些問題的原因在於（楊慶生，2000）：在自洽模型中利用了Eshelby關於無限大的均勻介質中含有單一夾雜的解，這與含有高體分比夾雜物的復合材料有一定差距；這時夾雜物之間、夾雜物與基體之間的相互作用非常強烈，而自洽模型僅考慮了一個夾雜物與有效介質之間的相互作用，這導致了在高體分比情況下，計算結果存在較大的誤差；當兩相材料的性能相差較大時甚至會導致迭代不收斂；另外，在夾雜的局部應力場與有效應力場之間存在如式（11-25）那樣的加權平均關系，而在自洽模型中，則要求兩者在夾雜與有效介質的界面上保持連續。基於此，發展了廣義自洽模型。

圖11-7 廣義自洽法模型（據Qu J et al.，2006）

廣義自洽模型對自洽模型進行改進，它將一個夾雜及其周圍的基體埋入到無限大的有效介質內，夾雜與基體所佔的比例等於復合材料的體分比，如圖11-7所示。這相當於將一個簡化的代表體元嵌入到復合材料中。因此，從概念上比自洽模型更合理些。但也相應地增加了問題求解的難度。