復合材料多分層損傷演化聲發(fā)射監(jiān)測及力學性能研究

郝敏娟 蘇世亮

摘要：為研究多向玻璃纖維增強復合材料的多分層演化行為與分層對其力學性能的影響，對此材料在萬能試驗機上進行了壓縮實驗，并全程采用聲發(fā)射監(jiān)測記錄。通過實驗分析了復合材料具有分層缺陷與否、多分層損傷所在的位置對復合材料性能的影響。結果表明：分層的存在對復合材料的性能有著很大程度的影響，使得復合材料的抗壓能力、受外力時抵抗變形的能力、強度等大幅度降低；缺陷尺寸越大，位置越靠近邊緣區(qū)域，對復合材影響越嚴重，試件聲發(fā)射信號的特征參數(shù)和力-位移曲線共同記錄并顯示了試件破壞機制及全過程。

關鍵詞：復合材料；多分層；聲發(fā)射；力學性能；安全性

中圖分類號：TB330

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16020005

1引言

在社會不斷進步、經(jīng)濟不斷發(fā)展的時代，復合材料以其優(yōu)越性能躍然跳入人們眼簾，被廣泛應用在多領域，并將清潔、無污染新能源開發(fā)利用推上新的臺階。在眾多復合材料中，玻璃纖維增強復合材料以其特有的優(yōu)良性能而突顯，應用范圍最廣，應用量最大[1] 。受生產(chǎn)工藝、材料自身特性等影響，復合材料在生產(chǎn)、制備、工作過程中易出現(xiàn)缺膠、分層、基體開裂、界面開裂、纖維斷裂等結構缺陷[2] 。分層還可能是由邊緣效應、沖擊載荷等引起[3]。在實際工作載荷下，復合材料缺陷會不斷累積、擴展，最終導致復合材料結構失穩(wěn)破壞，嚴重影響其綜合力學性能[4]。因此，為保證復合材料在使用過程中能夠保證結構不失穩(wěn)、具有足夠安全性與可靠性，對其多分層損傷演化進行聲發(fā)射監(jiān)測，并研究其力學性能，為復合材料安全評估與服役提供重要、可靠依據(jù)[5]。

2研究概況

近年來，不少國內(nèi)外學者和專家研究了具有分層缺陷的復合材料性能，Aymerich、Finn、Springer、Kim等人[6]研究了帶有分層的復合材料在各種載荷下的結構性能；Shon和Hu[7]研究了復合材料在沖擊和高應變速率下分層機制；張璐、Greenhalgh、Reeder等[8]對含分層復合材料在壓縮載荷下分層擴展做了研究。但對復合材料多分層演化及其力學性能的研究都較少，因此，筆者結合復合材料多分層損傷演化行為進行聲發(fā)射監(jiān)測，并對其力學性能、安全性進行探究。

聲發(fā)射檢測技術是一種新興的、對材料分層損傷較敏銳的檢測方式，當被檢材料自身結構中分層在萌發(fā)、演化過程中釋放的能量傳送到聲發(fā)射后，聲發(fā)射對其進行分析并發(fā)出瞬態(tài)應力波，以此來評估材料破壞情況，能及時監(jiān)測到材料微妙變化[9～12]。 發(fā)射檢測技術基本原理如圖1所示。根據(jù)聲發(fā)射檢測原理及現(xiàn)實需要，本文對含有多分層缺陷的樹脂基玻璃纖維增強復合材料進行多分層損傷演化聲發(fā)射監(jiān)測及力學性能研究。

3復合材料多分層損傷實驗

3.1實驗材料

進行實驗時，需要的材料有：玻璃模板、真空袋塑料薄膜、脫膜布、導流網(wǎng)、多向（呈±45°）玻璃纖維布、聚四氟乙烯薄膜、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂固化劑、密封膠帶、樹脂管。

3.2實驗設備

實驗過程中，采用V-i120SV真空泵灌注樹脂，制備復合材料層合板；用DZF型真空干燥箱，對環(huán)氧樹脂與固化劑混合物進行脫泡、加熱固化；采用AMSY-5聲發(fā)射儀，監(jiān)測材料破壞全過程，通過得到的數(shù)據(jù)、圖文等對復合材料進行相應研究；將試件在微機控制電子萬能試驗機上實行單項壓縮實驗，得到相應力-位移圖，對復合材料力學性能進行探析；使用高速攝影機來獲取試件在外力加載過程中被破壞的照片，記錄其被破壞過程。

3.3試樣制備

試件制備時，將多向玻璃纖維布剪成280 mm×200 mm大小，如圖2，然后鋪置導流網(wǎng)、脫膜布，±45°方向鋪8層多向玻璃纖維布，再依次鋪脫膜布、導流網(wǎng)、真空袋薄膜，最后用密封膠帶封閉四周，保證良好密封性。再按以上順序鋪設，在纖維布第五、六、七層分別預置長10 mm、20 mm、40 mm的聚四氟乙烯薄膜（厚度為0.05 mm），作為預置人工缺陷，以制作出多分層缺陷間隔一層纖維布試樣。將長10 mm、20 mm、40 mm的聚四氟乙烯薄膜作為預置人工缺陷分別鋪設在多向玻璃纖維布的第三層、第五層、第七層制作多分層缺陷間隔兩層試樣。灌注完成后得到三類樹脂基玻璃纖維增強復合材料試件。

鋪層完成后，將環(huán)氧樹脂固化劑與環(huán)氧樹脂按34∶100質(zhì)量比混合攪拌，脫泡、灌注，室溫固化48h，之后在真空干燥箱內(nèi)，80℃下固化12 h，得到灌注成品（即復合材料層合板），如圖3所示。最后，將得到的復合材料層合板切割成160 mm×20 mm長方形試件，如圖4，進行試驗研究。

3.4聲發(fā)射監(jiān)測及力學加載實驗過程

試件兩端貼50 cm×20 cm鋁片，防夾具損壞試件影響實驗。將試件含多分層中間部位預留60 mm，傳感器固定在試件預留60 mm一端。

實驗開始前，設置萬能試驗機為0.2 mm/min加載速率位移控制，聲發(fā)射信號采集最低值為34 dB。試件垂直夾在萬能試驗機上，如圖5，開始實驗。力學加載過程用高速攝影機記錄其損毀過程，如圖6～11

4實驗結果與討論

4.1復合材料損傷聲發(fā)射信號探析

內(nèi)含多分層的復合材料進行單向壓縮實驗過程中，出現(xiàn)大量聲發(fā)射信號。根據(jù)聲發(fā)射儀器記錄顯示的各種聲發(fā)射信號特征參數(shù)（如撞擊累積數(shù)、持續(xù)時長等），分析此復合材料損傷行徑、機理與材料性能。

2017年8月綠色科技第16期

如圖12～14分別顯示了無缺陷試件、缺陷隔一層試件和缺陷隔兩層試件聲發(fā)射信號撞擊數(shù)隨時間的變化情況。 從圖可知，壓縮起始階段，試件撞擊數(shù)變化非常緩慢。隨時間增長、外載荷變大，三類試件撞擊數(shù)均明顯增加。無缺陷試件和缺陷隔兩層試件在撞擊數(shù)達到峰值前幾近成指數(shù)形式增長，無缺陷試件加載至700 s時撞擊數(shù)達峰值近500，此時裂紋擴展速度最大，試件發(fā)生屈曲，被徹底損壞；缺陷隔兩層試件加載到740 s時撞擊數(shù)突增，裂紋快速擴展，加載到850 s時達峰值750，后又下降至試件最終損毀；缺陷隔一層試件相對其他兩類試件受加載時間較短，加載至225 s時撞擊數(shù)達峰值760，此時，試件結構嚴重損傷，試件被完全破壞，而其他兩類試件在225 s幾乎無聲發(fā)射撞擊數(shù)信號。由以上分析知，無缺陷試件和缺陷隔兩層試件結構等失穩(wěn)損壞一般發(fā)生在加載進程后期，而缺陷隔一層試件破壞發(fā)生在中后期，且缺陷隔一層試件抗壓性能最差，最容易受損。endprint

試件進行單向壓縮實驗過程中，聲發(fā)射信號撞擊數(shù)—時間—幅度圖如圖15～17。

從圖15知，無缺陷試件加載初期，聲發(fā)射信號不活躍，試件處于抗壓范疇內(nèi)，出現(xiàn)聲發(fā)射信號可能是試件自身缺陷或是加工、制造工藝不足所致；加載近400 s時，整體聲發(fā)射信號變活躍，裂紋擴展較迅速，試件結構損傷逐漸加重；隨加載時間變長、損傷累積，聲發(fā)射信號快速活躍，幅度增大，均散布在60～90 dB，眾多損傷積累使撞擊數(shù)近乎呈指數(shù)形式增長，最終在700 s時高達峰值500，試件被嚴重損毀。

從圖16知，缺陷隔一層多分層試件受載25 s前，含較少聲發(fā)射信號，幅度低于60 dB，撞擊數(shù)近為零，說明此階段試件損傷較少，可能是由基體開裂或界面損傷所致；加載25 s后至結束，試件含豐富聲發(fā)射信號，幅度多分布在40～90 dB，此過程中聲發(fā)射較活躍，裂紋、分層等不斷擴展，試件不斷破損，加載到最后，撞擊數(shù)和幅度達到峰值，分層擴展最大，試件完全損毀。

從圖17知，缺陷隔兩層多分層試件在壓縮初期，出現(xiàn)稀少聲發(fā)射信號，試件可能受到輕微損傷；加載340 s至結束，信號均勻在50～100 dB，撞擊數(shù)和幅度達最大值時，試件損壞最迅速、最嚴重，最后，試件出現(xiàn)完整多分層開裂，裂痕清晰，分層明顯。

可見，復合材料含缺陷比無缺陷時更易被破壞，且加載時間相同時，含缺陷復合材料破壞程度更嚴重。從圖16、17知，獲得相同聲發(fā)射信號幅度和撞擊數(shù)時，缺陷隔一層試件比缺陷隔兩層試件所需加載時間更短，更易出現(xiàn)分層損傷、結構破損。因此，含缺陷與否、缺陷位置對復合材料試件結構、綜合性能均有重要影響。

無缺陷試件、缺陷隔一層試件、缺陷隔兩層試件載荷—相對能量圖分別見圖18、19、20。由圖知，缺陷隔一層試件最容易被破壞，所需破壞載荷最小，無缺陷試件被完全破壞時相對能量最低，缺陷隔兩層試件相對能量最高，所需破壞載荷最大。

4.2復合材料力學性能分析及破壞特征

在微機控制電子萬能試驗機上對復合材料試件進行單向壓縮實驗，分析其力學性能.得到力—位移曲線如圖21。

力學實驗表明，外力加載初期，缺陷隔兩層試件位移隨力變化最快，其次是無缺陷試件，缺陷隔一層試件變化最緩慢；就位移而言，無缺陷試件最小，缺陷隔一層試件和隔兩層試件所差不多；能承受載荷峰值依次是缺陷隔兩層試件、無缺陷試件、缺陷隔一層試件。缺陷隔兩層試件力-位移曲線達載荷峰值前出現(xiàn)波動，說明此時試件已有損傷，但損傷不是最嚴重。由圖21知，不同分層缺陷的存在不同程度降低了復合材料抗壓能力；分層等缺陷的存在及位置都對復合材料抗彎能力、剛度、結構、綜合力學性能等有影響。分層等缺陷的存在使復合材料在服役過程中效果變差，綜合性價比降低，影響發(fā)展。因此，研究復合材料多分層損傷演化過程、機制及其力學性能有重大意義。

通過對試件進行單向壓縮實驗得到三類不同試件力學實驗數(shù)據(jù)如表1。

無缺陷試件、缺陷隔一層試件、缺陷隔兩層試件最終破壞形貌特征各不相同，如圖22、23、24。

5結論

經(jīng)實驗數(shù)據(jù)顯示與分析，得到如下結論。

（1）由聲發(fā)射信號各種特征參數(shù)和力學實驗結果數(shù)據(jù)知，缺陷的存在降低了復合材料抗壓強度、安全性，減弱了材料服役能力，影響了綜合性能。

（2）實驗所得復合材料多種相關數(shù)據(jù)表明，在多分層缺陷尺寸相同情況下，缺陷位置對復合材料力學性能、安全性有重要影響，缺陷越靠近邊緣處，復合材料承受能力越差，越容易被損壞。

（3）壓縮試驗初期，試件聲發(fā)射信號不活躍，特征參數(shù)值較小，力學特征參數(shù)力-位移圖上曲線為平滑曲線，沒有出現(xiàn)波動，說明此階段試件結構無損傷或有輕微損傷；隨時間或位移增加，試件聲發(fā)射信號變豐富，特征參數(shù)值增加，力-位移曲線圖出現(xiàn)不同幅度波動，試件被不同程度損傷，直至試件最終被完全破壞?？梢?，聲發(fā)射信號特征參數(shù)和力-位移曲線共同記錄顯示了試件破壞機制和行徑，為進一步了解復合材料多分層損傷演化及力學性能提供重要依據(jù)，對復合材料更好地服役、服務社會具有重要意義。

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2017年8月綠色科技第16期

Study on Multi - layered Damaged Evolution Acoustic Emission Monitoring and Mechanical Properties of Composite Materials

Hao Minjuan1， Su Shiliang2

（1.Academy of safety and environmental engineering， Capital University of Economics and Business，

Beijing，100070 ；2.Fourth Branch of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.， Ltd. ，

Langfang， Hebei， 065000， China）

Abstract： In order to study the multi - layered evolution behavior of multi - directional glass fiber reinforced composites and the effect of stratification on the mechanical properties of the composites， the compressive experiments were carried out on the universal testing machine and recorded by acoustic emission monitoring.The effect of delamination and the location of multiple delamination damage on the properties of composites were analyzed by experiments.The results showed that the presence of delamination has a great influence on the properties of the composite， which greatly reduces the compressive strength， the ability to resist deformation and the strength of the composite under external forces. Moreover， the larger the defect size is， the closer the position isto the edge area； the more serious the impact on the composite material are， the characteristic parameters of the acoustic emission signal and the force-displacement curve are recorded and the failure mechanism and the whole process are shown.

Key words： compound material；multiple layered；acoustic emission；mechanical property；Securityendprint