基于交流阻抗的2D_C_SC复合材料损伤演化过程研究.pdf

摘要

摘要

陶瓷基复合材料被广泛应用于航空航天飞行器的大面积热防护系统中，保

证结构高温承载能力的同时提高结构效率。然而，这类材料在受载时具有复杂

的损伤演化过程。在材料最终破坏之前，损伤通常目视不可见，但是会导致结

构承载能力的降低，如若不及时发现损伤并进行失效预警会引发灾难性的后果。

因而，发展原位、在线的损伤监测方法以实现对复合材料结构的状态监测和失

效预警，具有重要的学术意义和工程价值。基于电测的损伤监测方法因将材料

自身作为传感器而具有独特优势，包括使用环境不受附加传感器限制、适用于

损伤的原位在线监测和离线检测等。该方法可分为直流电阻法和交流阻抗法，

其中交流阻抗法测得的阻抗包含材料电性能的全复平面信息，更具有发展前景。

然而，目前对基于交流阻抗的复合材料损伤监测方法的研究尚处于起步阶段，

对于复合材料损伤演化导致其交流阻抗特征变化的规律尚不明确。

本文以一种典型的2DC/SiC陶瓷基复合材料为研究对象，分别从试验与理

论两个角度出发，探究材料损伤演化过程中的交流阻抗特征变化规律，具体如

下：

（1）采用细观尺度力学损伤分析方法，研究2DC/SiC复合材料的损伤演

化过程。建立碳纤维束微观单胞模型，进行纤维束刚度预报，获取纤维束的等

效弹性参数，为细观尺度的损伤分析提供更准确的材料属性输入；建立复合材

料的细观单胞模型，对模型施加周期性边界条件和力学载荷，根据基体和纤维

束各自的损伤起始准则和损伤模型进行损伤分析，获取材料的损伤演化过程；

利用均匀化方法计算材料的宏观应力-应变响应。将上述方法用于单轴拉伸载荷

条件下2DC/SiC复合材料的损伤分析，得到了材料的损伤演化过程和应力-应

变响应，计算结果与试验结果一致，验证了本文所用方法的有效性。

（2）建立复合材料损伤的阻抗响应监测及特征提取方法，从试验角度出发，

明确2DC/SiC复合材料损伤演化过程中的交流阻抗特征变化规律。通过监测声

发射信号，确定材料所处的损伤模式；对材料断口进行形貌扫描，验证材料的

损伤演化过程；采用线性局部切空间排列的流形学习算法，提取多频率阻抗数

据特征。将上述方法用于2DC/SiC复合材料单调加载和循环加载/卸载两种载

荷条件下的单轴拉伸试验，结果表明：材料的损伤演化过程可分为微裂纹扩张、

宏观基体裂纹形成和界面脱粘、损伤稳定扩展以及纤维断裂四个阶段；所用的

流形学习算法能够有效去除多频率阻抗数据的测试噪声和冗余特征；材料的相

位角在纤维断裂损伤出现前数值变化趋于平缓，在纤维断裂损伤阶段中开始降

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哈尔滨工业大学博士学位论文

低，适用于复合材料的失效预警。

（3）提出2DC/SiC复合材料力电耦合行为建模方法，从理论角度出发，

预报材料在力学载荷作用下的交流阻抗响应特征，解释材料在试验过程中的阻

抗特征变化规律。基于麦克斯韦-安培定律建立复合材料细观单胞的交流阻抗模

型，用于计算单胞的多频率阻抗；提出宏观等效阻抗的计算方法，将获得的多

频率阻抗从细观尺度拓展到宏观尺度。将上述方法用于计算单轴拉伸试样的多

频率阻抗，计算结果与试验结果吻合，验证了上述方法的有效性。联合第2章

中的力学损伤分析方法，建立复合材料力电耦合模型。将上述模型用于计算单

轴拉伸载荷条件下2DC/SiC复合材料的阻抗特征变化，分析力电耦合模型中的

耦合参数对阻抗特征计算结果的影响规律，并以试验结果为基准，对耦合参数

进行优选，结果表明：本文所建立的力电耦合模型和优选的耦合参数，能够准

确预报单轴拉伸载荷条件下2DC/SiC复合材料的阻抗响应特征，特别是能够预

报纤维断裂前相位角数值变化趋于平缓、纤维断裂阶段相位角下降的特征现象。

（4）在上述研究的基础上，开展双轴拉伸载荷条件下的试验与理论研究，

以获取2DC/SiC复合材料的损伤演化过程与阻抗特征变化规律，并对力电耦合

建模方法的可扩展性进行验证。开展了载荷比为2:1的双轴拉伸试验，结果表

明：材料的损伤演化过程可分为微裂纹扩张、宏观基体裂纹形成和界面脱粘、

损伤稳定扩展三个阶段，材料最后瞬时断裂，无持续的纤维断裂阶段；在整个

损伤过程中，阻抗幅值和相位角持续增加，在材料最终失效之前，相位角增加