車載氣瓶用復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射特性研究

楊思民葉榮耀王 強(qiáng)(.湖南安普環(huán)?？萍加邢薰?長沙 4000)(.中國計量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院 杭州 3008)

車載氣瓶用復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射特性研究

楊思民1葉榮耀2王 強(qiáng)2
(1.湖南安普環(huán)?？萍加邢薰?長沙 410100)
(2.中國計量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院 杭州 310018)

以WDW-100萬能試驗機(jī)和SAMOS聲發(fā)射檢測儀器搭建試驗平臺，對車載氣瓶用玻璃纖維復(fù)合材料試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射特性研究。對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行參數(shù)分析，并研究其損傷機(jī)理，得到玻璃纖維試件損傷產(chǎn)生、發(fā)展直至最終破壞整個過程所呈現(xiàn)出來的聲發(fā)射特征，辨別出試件失效過程中不同的損傷模式和損傷階段，為評價玻璃纖維復(fù)合材料的質(zhì)量和安全性提供一定的依據(jù)。

玻璃纖維 三點(diǎn)彎曲 聲發(fā)射 安全監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長管拖車氣瓶在工業(yè)、能源和物流等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，我國也從20世紀(jì)90年代中期的長管拖車整車進(jìn)口國發(fā)展為世界上最大的長管拖車生產(chǎn)國和使用國。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，玻璃纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度比和高容重比特性，不僅可以降低車載氣瓶的整體重量，而且具有更高的有效載荷，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。與此同時，由于復(fù)合材料氣瓶的制造工藝復(fù)雜和使用不當(dāng)，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量不穩(wěn)定，缺陷的存在不可避免，為使車載氣瓶滿足設(shè)計壓力及后續(xù)使用的安全性、可靠性要求，對玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1　試驗材料及聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)

1.1試驗材料

本次試驗的對象為車載氣瓶用玻璃纖維，其各項基本性能見表1。玻璃纖維纏繞增強(qiáng)材料是增強(qiáng)體為玻璃纖維物質(zhì)的復(fù)合材料。玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的非晶無機(jī)材料，其主要由二氧化硅、B、Na、Ca、Al等的氧化物組成。玻璃纖維單絲的直徑約為5～20μm，單束纖維原絲由成百上千的單絲構(gòu)成。玻璃纖維密度約為2．55g/cm3，熱脹系數(shù)為4．7×10-6K-1。依據(jù)GB/T 1449—2005 《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗方法》[4]，定做試件的形狀尺寸如圖1所示。

表1　玻璃纖維試件力學(xué)性能表

圖1　復(fù)合材料試件尺寸及實物

1.2聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)

●1.2.1WDW-100萬能試驗機(jī)

本文選用的WDW-100電子萬能試驗機(jī)來自于長春科新實驗儀器有限公司，利用萬能試驗機(jī)對玻璃纖維復(fù)合材料試件進(jìn)行下空間壓縮加載，其最大試驗力為100kN，試驗速度區(qū)間0．05～200mm/min，試驗速度控制精度小于±1%，拉伸空間有效值650mm，試驗寬度有效值550mm。

●1.2.2聲發(fā)射檢測儀器

本文采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)的SAMOS-Ⅱ型聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，包括：PCI-8型信號采集卡，R15α型聲發(fā)射傳感器，該傳感器頻率范圍50～400 kHz，諧振頻率150kHz，通過2/4/6-ap前置放大器與聲發(fā)射儀連接采集數(shù)據(jù)，門檻值為40dB，聲發(fā)射傳感器直接黏貼在玻璃纖維復(fù)合材料試件表面，采用專用耦合劑耦合[5]。

2　試驗過程及結(jié)果分析

2.1試驗過程

打開WDW-100萬能試驗機(jī)自身配備的控制軟件P-Main，選擇聯(lián)機(jī)，將試驗機(jī)的橫梁調(diào)整到與三點(diǎn)彎曲底座距離合適的位置。將各個力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯示清零之后，進(jìn)行相應(yīng)的試樣錄入和方案設(shè)定。方案設(shè)定為初始試驗力20N，橫梁控制設(shè)置為初始試驗速度5mm/min，選擇下空間壓縮，停車后不返回；加載方式中，控制方式為位移，試驗速度10mm/min，結(jié)束方式為斷裂百分比，結(jié)束條件為10%。

試件在進(jìn)行試驗之前，采用直徑為0．5mm，硬度為HB或2H的鉛芯斷裂源作為模擬聲發(fā)射源，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行斷鉛校準(zhǔn)[6]。檢查實驗室的環(huán)境，排除影響試驗的各種噪聲。確認(rèn)一切正常后，按照試驗的方案設(shè)定，點(diǎn)擊P-Main軟件上的試驗開始，同時點(diǎn)擊AE win軟件上的采集選項，采集并記錄聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

2.2試驗結(jié)果分析與討論

1）10mm/min加載速度試驗力-位移圖分析（見圖2）

圖2　加載速度10mm/min三點(diǎn)彎曲曲線

由圖2復(fù)合材料的試驗力-時間曲線圖可以看出：在10mm/min的加載速度下，彎曲試驗曲線中開始階段試驗力平穩(wěn)上升至1986N，但是在240s左右處出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試驗力急劇下降至900N，之后又緩慢上升，但曲線的斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及之前的0～240s這一段。這是由于在相對高速的加載條件下，復(fù)合材料中間的一端的界面出現(xiàn)分層和互相滑移，出現(xiàn)了單端的斷裂。隨著加載的繼續(xù)，另一端的纖維也開始出現(xiàn)斷裂，此時完全失去承載能力，試件失效，如圖5所示。

2）10mm/min加載速度試件聲發(fā)射特性分析

由于本次試驗的加載速度相對較大，復(fù)合材料在試驗過程中的損傷情況比較復(fù)雜，結(jié)合圖3和圖4，將該試件的試驗過程分為六個階段：

第一階段（0～70s），這一階段位移量相對較小，各項參數(shù)均處在一個較小的數(shù)值，且變化不大。聲發(fā)射事件的幅值少數(shù)分布在50～70dB，絕大多數(shù)處在50dB以下，持續(xù)時間都小于1000μs，信號的能量也非常小。該階段也出現(xiàn)了少量的60dB以上的聲發(fā)射事件，可能是材料制作加工過程中，不可避免的有部分內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，在外力的作用下，內(nèi)應(yīng)力受到破壞，從而釋放出一定的能量，呈現(xiàn)為較大幅值的聲發(fā)射信號。

第二階段（70～85s），該階段的聲發(fā)射事件計數(shù)在累積量和瞬時量都有所增長，但幅度相對較小，幅值主要分布在60～80dB，持續(xù)時間有所上升，主要分布在1000～2000μs之間，能量有顯著的增大。這一階段的損傷形式主要是由第一階段形成的裂紋得到進(jìn)一步發(fā)展，從而形成基體開裂。

第三階段（85～95s），玻璃纖維在這個時間段內(nèi)出現(xiàn)了纖維的損傷，由于纖維的承載能力要大于基體的承載能力，因此在這個階段產(chǎn)生明顯的彎曲變化。聲發(fā)射事件計數(shù)在累積率和瞬時率都有顯著增大，且幅度相對較大，幅值主要分布在70～80dB，同時也出現(xiàn)了一些80dB以上的信號，甚至在90dB以上也有少量出現(xiàn)。持續(xù)時間和能量都在增大，持續(xù)時間大于3000μs，有點(diǎn)高達(dá)8000μs左右。這說明經(jīng)過該階段的彎曲變形，基體開裂加劇，部分裂紋發(fā)生失穩(wěn)，出現(xiàn)基體和纖維界面的脫開現(xiàn)象，由于基體表現(xiàn)為脆性材料，在纖維斷裂前已完全開裂。該階段具體表現(xiàn)為玻璃纖維試件的界面損傷。

第四階段（95～100s），這一階段復(fù)合材料的承載能力急劇下降，伴隨著大量的纖維斷裂和界面分離。此時累積計數(shù)和計數(shù)率均增加到最大值，聲發(fā)射信號幅值更有達(dá)到100dB的，持續(xù)時間處在10000μs，能量也達(dá)到最大值50000μs。在試件的中間端的一端出現(xiàn)大量纖維被壓斷裂的現(xiàn)象。如圖5中（a）圖所示。

第五階段（100～120s），在這一時間段內(nèi)，各項參數(shù)全部為零。這是由于試件中間的一端發(fā)生斷裂，釋放了大量的應(yīng)力，另一端得到相應(yīng)的緩沖，所以沒有任何數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

第六階段（120s～試驗結(jié)束），該時間段內(nèi)，有少量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，但是信號的強(qiáng)度均不如之前信號強(qiáng)度高，這是由于在之前的環(huán)節(jié)中，沒有發(fā)生纖維斷裂的一端也經(jīng)歷了基體開裂和界面損傷這兩個過程。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，試件的另一端也開始發(fā)生纖維斷裂現(xiàn)象，如圖5中的（b）圖所示。

圖3　聲發(fā)射事件計數(shù)-時間變化曲線

圖4　聲發(fā)射事件幅值-時間散點(diǎn)分布圖

圖5　復(fù)合材料纖維斷裂界面分離圖

3　結(jié)論

1）以聲發(fā)射檢測儀和萬能試驗機(jī)搭建試驗平臺，根據(jù)GB/T 1449—2005，對車載氣瓶用玻璃纖維試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗，成功地采集到試件損傷不同階段的聲發(fā)射信號，達(dá)到預(yù)期的試驗?zāi)康摹?/p>

2）由三點(diǎn)彎曲試驗得到玻璃纖維復(fù)合材料試件在加載彎曲變形的過程中，其損傷形式主要包括基體開裂、界面損傷、纖維斷裂等三大類，其中界面損傷階段比較復(fù)雜，包含著一定數(shù)量的纖維抽拔、基體材料與纖維層的脫粘以及材料層與層之間產(chǎn)生的分離等。聲發(fā)射信號的各項參數(shù)表現(xiàn)為：在初期，聲發(fā)射事件信號的計數(shù)率、計數(shù)總數(shù)、幅值、持續(xù)時間和能量均較低，信號強(qiáng)度與外加載荷成正比，在纖維斷裂失效時達(dá)到最大。

3）通過玻璃纖維三點(diǎn)彎曲聲發(fā)射試驗得到試件的損傷聲發(fā)射信號對于車載氣瓶用玻璃纖維的整體質(zhì)量評價和安全監(jiān)測具有重要的參考意義。

[1] 徐君臣，銀建中. 纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用科技，2012，39(4)：64-70.

[2] 李偉，李穎，王少凡，等. FRP復(fù)合材料容器水壓爆破聲發(fā)射特性分析[J]. 壓力容器，2012，29(5)：15-19.

[3] 張祥春，張鷺，蔡良續(xù)，等. 玻璃纖維復(fù)合材料靜載荷聲發(fā)射試驗研究[J]. 中國測試，2011，37(6)：27-30.

[4] GB/T 1449—2005 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗方法[S].

[5] 葉榮耀，王強(qiáng)，張維剛，等. 鋼包耳軸活性缺陷聲發(fā)射信號特征與定位分析[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 28(4): 27-31.

[6] GB/T 18182—2012 金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法[S].

Research of Acoustic Emission Character of Composite Material Cylinder Three-point Bending

Yang Simin1Ye Rongyao2Wang Qiang2
(1. Hunan Anpu Environmental Protection Ltd. Changsha 410100)
(2. College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University Hangzhou 310018)

The three-point bending experiment with glass fiber cylinder specimen using acoustic emission detection technology was achieved with the experimental platform consisting of WDW-100 universal testing machine and SAMOS acoustic emission detecting instrument. Parameter analysis and research on damage mechanism were accomplished with the collected AE(acoustic emission) signals. Acoustic emission characteristics of glass fiber specimen damage were obtained. Based on the proposed method, the different damage patterns and stages during the process of glass fiber specimen deformation were successfully recognized, and provide the basis for evaluating the quality and safety of glass fiber composite material.

Glass fiber Three-point bending Acoustic emission detection Safety monitoring

X933．4

B

1673-257X(2016)01-0022-03

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．005

楊思民（1976～)，男，項目經(jīng)理，工程師，從事環(huán)保節(jié)能方面的工作。

（ 2015-06-22）