复合材料的损伤

1. 复合材料损伤的特点和修理方法有哪些

复合损伤，复合修理

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2. 玻璃钢是什么材料

用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体而形成的纤维强化塑料

玻璃钢（FRP）亦称作GFRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体，以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称为玻璃纤维增强塑料，或称为玻璃钢，不同于钢化玻璃。

由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之别。质轻而硬，不导电，性能稳定，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。

(2)复合材料的损伤扩展阅读：

现将玻璃钢主要的应用领域，粗略地概括如下：

1、建筑行业：冷却塔、玻璃钢门窗New、建筑结构、围护结构、室内设备及装饰件、玻璃钢平板、波形瓦、装饰板、玻璃钢盖板、卫生洁具及整体卫生间、桑拿浴室、冲浪浴室、建筑施工模板、储仓建筑、混凝土模板、筋材以及太阳能利用装置等。

2、化学化工行业：耐腐蚀管道、贮罐贮槽、耐腐蚀输送泵及其附件、耐腐阀门、格栅、通风设施，以及污水和废水的处理设备及其附件等等。

3、汽车及铁路交通运输行业：汽车壳体及其他部件，全塑微型汽车，大型客车的车体外壳、车门、内板、主柱、地板、底梁、保险杠、仪表屏，小型客货车，以及消防罐车、冷藏车、拖拉机的驾驶室及机器罩等。

4、铁路运输方面，有火车窗框、车内顶弯板、车顶水箱、厕所地板、行李车车门、车顶通风器、冷藏车门、储水箱，以及某些铁路通讯设施等。

5、公路建设方面，有交通路标、隔离墩、标志桩、标志牌、公路护栏等等，船艇及水上运输行业。

6、内河客货船、渔船、气垫船、各类游艇、赛艇、高速艇、救生艇、交通艇，以及玻璃钢航标浮鼓及系船浮筒等等。

7、电气工业及通讯工程：有灭弧设备、电缆保护管，发电机定子线圈和支撑环及锥壳，绝缘管、绝缘杆，电动机护环，高压绝缘子，标准电容器外壳，电机冷却用套管，发电机挡风板等强电设备；配电箱及配电盘，绝缘轴，玻璃钢罩等电器设备；印刷线路板、天线、雷达罩等电子工程应用。

3. 复合材料损伤的特点和修理的方法有哪些

复合损抄伤，复合修理

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4. 复合材料层合板都有哪些损伤形式

层合板设计的一般原则
（1）均衡对称铺设原则
除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应考虑工艺变形限制。将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。
（2）铺层定向原则
在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。一般多选择 0°、 90° 和 ±45°等4种铺层方向。如果需要设计成准各向同性层合板，可采用 或 层合板。对于采用缠绕成形工艺制造的结构，铺层角（缠绕角）不受上述 角度的限制，但一般采用 缠绕角。
（3）铺层取向按承载选取原则
铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。具体地说，如果承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向一致；如果承受双轴向拉伸或压缩载荷，纤维方向按受载方向 0°、90°正交铺设；如果承受剪切载荷，纤维方向按 +45°、 -45°成对铺设；如果承受拉伸（或压缩）和剪切的复合载荷情况，则纤维方向应按 0°、90°、+45°、-45°多向铺设。90°方向纤维用以改善横向强度，并调节层合板的泊松比。
（4）铺设顺序原则
主要从三方面考虑：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置。如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层。如果层合板中含有 ±45° 层、 0° 层和 90° 层，应尽量在 +45° 层和 -45° 层之间用 0° 层或 90° 层隔开，在 0° 层和 90° 层之间用 +45° 层或 -45° 层隔开，并应避免将 90° 层成组铺放，以降低层间应力。对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或 ±45° 层，将具有较好的使用维护性，也可以改善层合板和压缩和抗冲击性能。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。
（5）铺层最小比例原则
为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为 0° 、 90° 、 ±45° 铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应≥6%~10% 。
（6）冲击载荷区设计原则
对于承受面内集中力冲击部位的层合板，要进行局部加强。应有足够多的纤维铺设在层合板的冲击载荷方向，以承受局部冲击载荷。还要配置一定数量与载荷方向成 ±45° 的铺层以便将集中载荷扩散。另外，还需采取局部增强措施，以确保足够的强度。对于使用中容易受到面外冲击的结构，其表面几层纤维应均布于各个方向，相邻层的夹角尽可能小，以减小基体受载的层间分层。对于仍不能满足抗冲击要求的部位，应局部采用混杂复合材料，如芳纶或玻璃纤维与碳纤维混杂。
（7）连接区设计原则
应使与钉载方向成±45°的铺层比例≥40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔 的应力集中。
（8）变厚度设计原则
在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个台阶宽度相近且≥60°，台阶高度不超过宽度的1/10。然后在表面铺设连续覆盖层，以防止台阶外发生剥离破坏。
（9）开口区铺层原则
在结构开口区应使相邻铺层的夹角≤60°，以减少层间应力。开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小。若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角。另外在开口时，切断的纤维应尽可能少。

5. 复合材料损伤检测一般用什么显微镜

利用复合材料组成化合物的比热数据和含量理论计算＝CP1×含量＋CP2×含量，然专后拟合得到所需温度比热属。
DSC蓝宝石法测试复合材料的比热容，随温度的变化。热研科技就是通过这个方法测试比热容的，比较准确。

6. 非均质材料有效力学性能的细观力学计算

一、有效特性和集中张量

考虑非均匀介质D中包含基体相Ω₀，椭球异质相Ω₁，Ω₂，…，Ω_n，如图-3所示；异质相Ω_i的体积分数c_i=Ω_i/D，弹性张量为L_i。为求解非均匀介质材料的等效弹性

图11-3 非均质材料D

模量，考虑如下两类均匀边界条件：

岩石断裂与损伤

其中ε^∞、σ^∞为常应变和常应力张量；x为位置矢量；n为边界s的外法线矢量。下面证明在均匀边界条件作用下，除了边界点附近可能有扰动存在，统计均匀的复合材料应力场与应变场也是统计均匀的。

非均匀介质D的等效弹性常数张量与等效柔度张量分别定义为

岩石断裂与损伤

其中和分别为介质D的体积平均应力和体积平均应变，定义为

岩石断裂与损伤

根据上述定义，平均应力和平均应变又可以表示为

岩石断裂与损伤

岩石断裂与损伤

式中c_i、和分别为第i相的体积分数、平均应力和平均应变；当i=0时为基体材料。

在均匀边界条件式（11-20）下，可以证明有如下关系（Mura T，1987）：

岩石断裂与损伤

在每一相中，有

岩石断裂与损伤

将式（11-29）代入式（11-25）中，得

岩石断裂与损伤

其中A_i为第i相材料的应变集中张量，定义为

岩石断裂与损伤

则非均质材料的等效弹性模量为

岩石断裂与损伤

采用相似的方法，可得非均质材料的等效柔度模量：

岩石断裂与损伤

其中B_i为第i相材料的应力集中张量，定义为

岩石断裂与损伤

综上，非均质材料的等效弹性模量和等效柔度模量中，只有集中张量A_i和B_i为未知的。只要求出了集中张量，则复合材料的有效性能就可给出。一般地说，应力、应变集中张量与组分材料的性能和几何形状有关，细观力学发展了一些近似方法来计算集中张量，下面详细介绍。

二、Eshelby法

当异质夹杂比较稀疏时，可以忽略夹杂之间的相互作用。因此，该模型认为将每个夹杂放入的具有远场应变ε^∞的均匀基体材料中；虽然考虑单个夹杂与基体的作用，但忽略夹杂之间的相互作用，认为基体材料有效应变为ε^∞、弹性模量为L₀（图11-4）。则，根据等效夹杂原理有

岩石断裂与损伤

第i相材料的应变场为

岩石断裂与损伤

其中：

岩石断裂与损伤

Eshelby张量S_i由基体的弹性模量L₀及第i相夹杂的几何形状与取向来计算。

对于均匀位移边界条件：

图11-4 Eshelby法模型（据Qu J et al.，2006）

岩石断裂与损伤

有效应变：

岩石断裂与损伤

因此：

岩石断裂与损伤

则应变集中张量：

岩石断裂与损伤

则当异质夹杂比较稀疏时，非均质材料的有效弹性模量为

岩石断裂与损伤

三、Mori-Tanaka法

非均质材料在远场受到均匀应力σ^∞的作用，此时整个材料有效应力场为σ^∞。对于形状相同的均匀纯基体材料，在上述同一边界条件作用下，其应变场ε^∞可由下式来确定：

岩石断裂与损伤

由于夹杂物的存在，实际复合材料基体内的应变场与均匀纯基体内的应变场相差一个扰动值。Mori-Tanaka方法认为将单个夹杂置于承受真实有效应变场ε₀的基体中，而这种有效场与外加的远场ε^∞不需一致（此法与Eshelby法区别），但基体材料弹性模量仍为L₀。则根据等效夹杂原理有

岩石断裂与损伤

图11-5 MoriTanaka法模型（据Qu J et al.，2006）

第i相材料的应变场为

岩石断裂与损伤

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

通过比较式（11-36）和式（11-45），可以发现：两种方法的不同在于，Eshelby法给出了第i相材料的应变场与整体平均应变的关系，式（11-36）中的T_i为整体集中张量；而Mori-Tanaka法给出了第i相材料的应变场与基体材料平均应变的关系，式（11-45）中的G_i为局部集中张量。

为了求解有效弹性模量，需要给出局部与整体集中张量之间的关系。根据平均应变定义：

岩石断裂与损伤

故有

岩石断裂与损伤

综合式（11-45）和式（11-47），有

岩石断裂与损伤

其中：

岩石断裂与损伤

因此，非均质材料的效弹性模量为

岩石断裂与损伤

上述方法是Mori和Tanaka在1973年计算含有相变应变夹杂的材料中基体平均应力提出来的，解决了在有限体积分数下使用Eshelby场等效夹杂原理的基本理论问题。而后这种方法被广泛应用于各种复合材料的有效性能预测。Mori-Tanaka法在一定程度上涉及了随机分布的夹杂之间的相互作用。但是，对于具有有限夹杂体积含量的材料，每一夹杂都由基体和其他夹杂的混合体包围着，而Mori-Tanaka法中的Eshelby张量是为嵌入无限大基体的单个夹杂而建立的，所以这一方法考虑相互作用较弱。

三、自洽法和广义自洽法

自洽法的基本思想是：在计算夹杂内部应力场时，为了考虑其他夹杂的影响，认为这一夹杂单独处于待求的有效介质中，而夹杂周围有效介质的弹性常数和应变场恰好就是含夹杂非均匀材料的等效弹性常数和等效应变场（图11-6）。

根据等效夹杂原理有

岩石断裂与损伤

式中：

岩石断裂与损伤

图11-6 自洽法模型（据Qu J et al.，2006）

Eshelby张量由待求等效介质的弹性模量表示。则第i相材料的应变场为

岩石断裂与损伤

上式中：

岩石断裂与损伤

则整体应变集中张量

岩石断裂与损伤

相应地，非均质材料的有效弹性模量为

岩石断裂与损伤

在上述模型中，无限大有效介质（复合材料）内的平均应变（应力）场就是有效应变（应力）场，因此这个模型是自洽的。需要注意的是，应变集中张量A_i中，含有未知的有效弹性系数，在实际应用中，需要采用迭代求解才能得到有效性能。

自洽法能够预测含多相夹杂非均匀材料有效性能，但存在一定缺陷，特别当夹杂与基体的弹性常数相差较大时，偏差非常显著（杜善义等，1998）：当离散相为孔穴，孔隙率达到0.5时，自洽法给出的等效剪切模量和体积模量为零；对于刚性夹杂嵌在不可压缩材料的情形，自洽法给出的等效体积模量为零，而等效剪切模量在夹杂体积分数大于0.4时趋于无穷大；此外，在极端条件下，如夹杂体积分数比较大，自洽法的结果也不可靠。造成这些问题的原因在于（杨庆生，2000）：在自洽模型中利用了Eshelby关于无限大的均匀介质中含有单一夹杂的解，这与含有高体分比夹杂物的复合材料有一定差距；这时夹杂物之间、夹杂物与基体之间的相互作用非常强烈，而自洽模型仅考虑了一个夹杂物与有效介质之间的相互作用，这导致了在高体分比情况下，计算结果存在较大的误差；当两相材料的性能相差较大时甚至会导致迭代不收敛；另外，在夹杂的局部应力场与有效应力场之间存在如式（11-25）那样的加权平均关系，而在自洽模型中，则要求两者在夹杂与有效介质的界面上保持连续。基于此，发展了广义自洽模型。

图11-7 广义自洽法模型（据Qu J et al.，2006）

广义自洽模型对自洽模型进行改进，它将一个夹杂及其周围的基体埋入到无限大的有效介质内，夹杂与基体所占的比例等于复合材料的体分比，如图11-7所示。这相当于将一个简化的代表体元嵌入到复合材料中。因此，从概念上比自洽模型更合理些。但也相应地增加了问题求解的难度。