玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料聲發(fā)射研究

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 陶 然

北京特種設(shè)備檢測(cè)中心 夏美玲

水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 丁 鵬

南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 盧 超

玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，由于其具有輕質(zhì)、良好的絕緣性、抗腐蝕性、耐熱性和高強(qiáng)度等綜合性能以及具有工藝性好、加工成型方便、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和科技發(fā)展中無(wú)法替代的重要材料，在防彈頭盔、防彈服、直升飛機(jī)機(jī)翼、預(yù)警機(jī)、雷達(dá)罩以及各種高壓壓力容器、民用飛機(jī)直板、體育用品、各類(lèi)耐高溫制品中得到廣泛應(yīng)用[1]。因此，對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能檢測(cè)效率以及失效分析效率方面的要求也將更加嚴(yán)格。

聲發(fā)射是一種基于材料中局域源快速能量釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，與材料應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展相關(guān)[2]。聲發(fā)射檢測(cè)不受材料及材料幾何形狀、尺寸的限制，并且是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方式，能夠在役檢測(cè)材料以及構(gòu)件的損傷狀況。

在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者以及研究人員做了許多卓有成效的工作。Pasi等[3]對(duì)復(fù)合材料3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射進(jìn)行了研究與分析；Olivier等[4]對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料的拉伸以及彎曲試驗(yàn)的聲發(fā)射情況進(jìn)行了分析研究；北京航空材料研究所與航空制造工程研究所率先在國(guó)內(nèi)較為成熟地應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)航空用材的聲發(fā)射狀況進(jìn)行了分析研究[5-6]，其他高校的相關(guān)人員[7-9]也對(duì)復(fù)合材料的聲發(fā)射檢測(cè)做了較多的深入研究。玻璃纖維復(fù)合材料因其綜合性能以及價(jià)格低廉等因素，被作為一種較為常用的民用以及工業(yè)用材。本文通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)不同鋪層角度玻璃纖維、不同層數(shù)以及不同基體的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行分析，以期對(duì)實(shí)用過(guò)程有所幫助。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)置

1.1 試樣制備

玻璃纖維采用的是九江市江南玻璃纖維有限公司生產(chǎn)的0.2mm玻璃布，環(huán)氧樹(shù)脂基體材料是SM6101環(huán)氧樹(shù)脂與低分子650聚酰胺樹(shù)脂按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶1混合制成，不飽和樹(shù)脂基體是GH-191A不飽和聚酯樹(shù)脂與AR過(guò)氧化甲乙酮溶液以及AR萘酸鈷苯乙烯溶液按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)100∶1.6～2∶0.8～1混合制成。試樣制作采用手糊鋪層方式，常溫固化成型后裁剪制成，試樣兩端兩側(cè)粘貼有7層玻璃纖維和基體同種樹(shù)脂制成的加強(qiáng)片，以防試樣在拉伸過(guò)程中被夾頭夾斷。試樣的尺寸、形狀按照中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法[10]制作。試樣的形狀與尺寸如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

聲發(fā)射系統(tǒng)采用的是美國(guó)物理聲學(xué)公司PCI-2聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)，其中，前置放大增益為40dB，門(mén)檻設(shè)置為35dB，模擬濾波范圍為20kHz～3MHz，采樣頻率2MHz，采樣長(zhǎng)度1k。試驗(yàn)采用的傳感器為中心頻率為15kHz，帶寬為1MHz的R15α型傳感器。耦合劑采用凡士林。

圖1 試樣形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of specimen

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

用WDW-50C型微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)以5mm/min的速度將試樣拉斷，同時(shí)用聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)采集拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 拉伸試驗(yàn)裝置Fig.2 Device of tensile test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同鋪層層數(shù)試樣聲發(fā)射特征

不同鋪層層數(shù)的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料試樣是通過(guò)對(duì)比同向鋪層的6層[0]鋪層的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料試樣與7層[0]鋪層的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合試樣的聲發(fā)射信號(hào)與拉伸曲線進(jìn)行分析的。不同鋪層層數(shù)試樣分析如圖3所示。

從圖3可以看出，7層玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂試樣最大載荷在5000N左右，而6層試樣的最大載荷在3400N左右。兩種類(lèi)型試樣起始拉伸階段聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生都比較平緩。6層試樣在18s左右聲發(fā)射信號(hào)撞擊出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，此后的聲發(fā)射撞擊增多，此時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷2300N左右，約為最大載荷的68%。對(duì)于7層玻試樣，在30s左右聲發(fā)射信號(hào)撞擊產(chǎn)生速率增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)載荷3700N左右，對(duì)應(yīng)于最大載荷的74%左右。因此，從聲發(fā)射信號(hào)可以較好地反映玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂拉伸斷裂情況。最大載荷的70%也可以作為玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合臨界失效載荷。

圖3 不同層數(shù)試樣分析Fig.3 Analysis of specimens with different layers

2.2 不同鋪層角度試樣聲發(fā)射特征

不同鋪層角度的試樣是用6層鋪層的纖維方向與拉伸方向相同的[0]試樣、與拉伸方向有0°、45°混合鋪層的[0/45]試樣，以及正負(fù)45度鋪層的[-45/45]試樣。各試樣載荷以及聲發(fā)射撞擊的時(shí)間相關(guān)如圖4所示。

由圖4可以看出，[0]鋪層玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料試樣承載能力最強(qiáng)，[0/45]度鋪層的試樣承載能力次之，[-45/45]鋪層的試樣承載能力最差。同時(shí)聲發(fā)射撞擊信號(hào)出現(xiàn)與上述較為一致的趨勢(shì)，[0]鋪層的試樣聲發(fā)射信號(hào)撞擊最為強(qiáng)烈，[-45/45]鋪層的試樣聲發(fā)射信號(hào)撞擊最弱，[0/45]鋪層的試樣聲發(fā)射信號(hào)撞擊居中。無(wú)論是從載荷曲線上還是從聲發(fā)射信號(hào)撞擊出現(xiàn)的趨勢(shì)來(lái)看，[0]鋪層的試樣曲線斜率較大，而[-45/45]鋪層的試樣曲線斜率最小，[0/45]鋪層試樣曲線居中，這說(shuō)明[-45/45]鋪層的試樣，在承載時(shí)，由于玻璃纖維不是直接承受拉伸載荷，試樣在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出韌性拉伸趨向；而[0]鋪層的試樣，纖維在拉伸時(shí)即承受載荷，因此表現(xiàn)出纖維的脆性拉伸趨向。

圖4 不同角度試樣分析Fig.4 Analysis of specimens with different angles

2.3 不同基體材料試樣的聲發(fā)射特性

不同基體材料試樣是用6層[0]鋪層的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料與6層[0]鋪層的玻璃纖維/不飽和樹(shù)脂復(fù)合材料制作。

由圖5可以看出，玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的強(qiáng)度較玻璃纖維/不飽和樹(shù)脂的強(qiáng)度大，并且從載荷曲線以及聲發(fā)射撞擊曲線圖都可以看出，玻璃纖維/不飽和樹(shù)脂試樣曲線的斜率要比玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂試樣曲線的斜率小，從而可以得出玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料表現(xiàn)的脆性斷裂趨勢(shì)，而玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料跟[45]度鋪層試樣表現(xiàn)出相似的韌性斷裂趨勢(shì)。

從以上分析可以看出，在加載速度不變的情況下，6層[0]鋪層試樣與7層[0]鋪層試樣的載荷曲線基本重合，但7層試樣承載能力強(qiáng)，抗拉時(shí)間長(zhǎng)，聲發(fā)射撞擊產(chǎn)生較多。而在不同角度的鋪層中，[-45/45]鋪層試樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性，斜率變小，承載時(shí)間較長(zhǎng)，聲發(fā)射撞擊較[0]鋪層試樣產(chǎn)生得多。同時(shí)，聲發(fā)射撞擊產(chǎn)生的速率也較好地反映了載荷曲線斜率狀況。

圖5 不同基體材料試樣分析Fig.5 Analysis of specimens with different matrices

3 結(jié)論

（1）纖維復(fù)合材料拉伸過(guò)程中，在最大載荷的70%左右范圍會(huì)出現(xiàn)一個(gè)聲發(fā)射撞擊的次峰，因此，可以將最大載荷70%范圍作為材料失效的臨界載荷，保證材料的使用壽命。

（2）從不同鋪層角度的拉伸試樣可以發(fā)現(xiàn)，[0]鋪層玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料試樣承載能力最強(qiáng)，[0/45]鋪層的試樣承載能力次之，[-45/45]鋪層的試樣承載能力最差。雖然可承受的最大載荷較小，但是[-45/45]鋪層的試樣支撐的時(shí)間更長(zhǎng)。

（3）玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料比不飽和樹(shù)脂基復(fù)合材料具有更好的抗拉性能，完全損壞前不飽和樹(shù)脂基復(fù)合材料則比環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料承壓時(shí)間更長(zhǎng)。

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[10]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.