缺陷類型對纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

覃尹星 姜世強(qiáng) 高 斌 黃 輝 賈 彬

(1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621000； 2. 上海市建筑科學(xué)研究院上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200000； 3. 四川德源管道科技股份有限公司 成都 610000； 4. 電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院 成都 610000)

濕作業(yè)纏繞纖維布加固技術(shù)已廣泛應(yīng)用于輸油管道修復(fù)加固中，由于施工現(xiàn)場環(huán)境富含泥沙且可操作范圍受限，會產(chǎn)生如皺褶、含雜質(zhì)、空隙、重疊等缺陷[1-14]。皺褶缺陷是施工過程中常見的一種缺陷，內(nèi)嵌皺褶試件拉伸強(qiáng)度與皺褶寬度正相關(guān)，與皺褶高度和皺褶角度負(fù)相關(guān)[7-9]?？障度毕莺椭丿B缺陷容易出現(xiàn)在采用自動鋪絲技術(shù)制作的復(fù)合材料層合板中?？障度毕菰嚰睦鞆?qiáng)度與空隙缺陷間距正相關(guān)，重疊缺陷試件的拉伸強(qiáng)度高于空隙缺陷試件且與缺陷間距負(fù)相關(guān)[10]。學(xué)者們針對缺陷對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能影響的研究方法日新月異：由靜力學(xué)研究拓展到動力學(xué)研究[11]；在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上引入數(shù)值模型分析和顯微技術(shù)分析[12-13]；開發(fā)了MATLAB子程序來捕獲缺陷的位置和范圍，提出了一種新的缺陷層方法來表征復(fù)合材料層合板中各層由于裂紋和重疊而引起的性能變化[14]。目前的研究缺乏對同一工況下各種缺陷的系統(tǒng)性對比。采用濕作業(yè)纏繞纖維布加固技術(shù)對管道進(jìn)行加固后，需對管道進(jìn)行加固質(zhì)量驗(yàn)收。目前已有學(xué)者對計(jì)算機(jī)斷層掃描成像檢測、聲發(fā)射、微波無損檢測、渦流檢測、磁粉法、超聲檢測、紅外無損檢測等無損檢測技術(shù)進(jìn)行了研究[15-20]，其中紅外無損檢測技術(shù)(簡稱 NDT)具有檢測效率高、檢測結(jié)果精度高、缺陷可視化、易操作、非接觸性等優(yōu)點(diǎn)[21-27]，適用于管道加固質(zhì)量的現(xiàn)場檢測。

本文探索以光激勵為激勵源的紅外檢測技術(shù)對玻璃纖維復(fù)合材料的無損檢測方法，建立了管道加固缺陷的現(xiàn)場檢測技術(shù)。在此基礎(chǔ)上對無缺陷玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和含缺陷玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，研究6種缺陷類型對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 纖維復(fù)合材料缺陷檢測

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)所用玻璃纖維和環(huán)氧樹脂均由四川德源管道科技股份有限公司提供，采用濕鋪法制作了系列無缺陷試件和含缺陷試件。依據(jù)《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T 3354—2014)并考慮缺陷大小，設(shè)計(jì)出共6層纖維布的0度鋪層的試件，長400 mm、寬200 mm、厚3 mm。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了纖維布分層、纖維布未完全浸透、鼓脹、皺褶、夾砂、氣泡、無缺陷共7種試件。具體缺陷參數(shù)及試驗(yàn)工況詳見表1。

表1 缺陷參數(shù)Table 1 Defect parameter

6種缺陷設(shè)計(jì)方法如下：

(1)局部未浸透缺陷：進(jìn)行鋪敷工作時，在預(yù)定制作缺陷的纖維布內(nèi)外兩面中心位置鋪好相應(yīng)尺寸的離心膜，形成未浸透區(qū)域。(2)分層缺陷：進(jìn)行鋪敷工作時，在預(yù)定制作缺陷位置鋪好相應(yīng)尺寸的離心膜。(3)氣泡缺陷：氣泡用泡沫球代替，在預(yù)定制作缺陷位置鋪放一定數(shù)量的泡沫球，形成相應(yīng)尺寸泡沫球區(qū)域。(4)皺褶缺陷：對預(yù)定制作缺陷的纖維布進(jìn)行折疊，形成S形的皺褶，再進(jìn)行鋪敷工作。(5)夾砂缺陷：進(jìn)行鋪敷工作時，在預(yù)定制作缺陷位置鋪放一定量的石砂，形成相應(yīng)尺寸石砂區(qū)域。(6)鼓脹缺陷：待纖維布的鋪敷工作進(jìn)行到一定層數(shù)后，將直徑為4 cm高度為4 mm的球面模具放置在最底部離心膜下，用于模擬玻璃纖維布局部鼓脹，隨后工作按序進(jìn)行。

1.2 缺陷檢測

1.2.1 缺陷檢測方法

基于復(fù)合材料不具有導(dǎo)電性的缺陷，使用熱激勵裝置給予試件均勻的表面溫度場，內(nèi)部缺陷對縱向熱傳導(dǎo)產(chǎn)生阻礙從而引起表面溫度場分布異常，使用紅外探測設(shè)備采集被測物體表面的熱分布并表示為灰度圖像，采用多種圖像特征提取算法對原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析缺陷的性質(zhì)[21-27]。

以光激勵為激勵源的紅外無損檢測方法具有直觀、非接觸測量、空間分辨率高、反應(yīng)快和結(jié)果可靠等特點(diǎn)，且激勵源簡單、激勵可持續(xù)較長時間，適用于大面積檢測。

本文使用如圖1所示的以鹵素?zé)艄饧顬榧钤吹募t外無損檢測裝置。該裝置由光激勵模塊、控制模塊、熱像儀和計(jì)算機(jī)等部分組成，有便攜式激勵檢測設(shè)備和大功率激勵檢測設(shè)備兩種。便攜式設(shè)備檢測效果不如大功率檢測設(shè)備，但便攜式檢測設(shè)備適用于現(xiàn)場檢測。

圖1 缺陷檢測設(shè)備Fig.1 Defect detection equipment

1.2.2 缺陷檢測結(jié)果

試驗(yàn)時通過人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，用兩個大鹵素?zé)魧υ嚰M(jìn)行加熱，用熱像儀采集試件表面的熱分布，利用圖像特征提取算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，檢測結(jié)果體現(xiàn)在圖2和表2中。圖2中圖2(a)-圖2(c)是采用大功率激勵檢測設(shè)備檢測獲得的圖像，圖2(d)-圖2(f)是采用便攜式激勵檢測設(shè)備檢測獲得的圖像。從圖2和表2可見，以光激勵為激勵源的紅外無損檢測技術(shù)可以檢測出局部未浸透、分層、夾砂、氣泡、鼓脹和皺褶6種缺陷。深入分析后發(fā)現(xiàn)此技術(shù)檢測出的局部未浸透、分層和氣泡3種缺陷形態(tài)類似，缺陷處顏色均比周圍顏色深，無法進(jìn)行區(qū)分，夾砂缺陷檢測結(jié)果顯示缺陷處呈現(xiàn)光圈現(xiàn)象，鼓脹缺陷檢測結(jié)果顯示缺陷處顏色深淺不一且有凹凸現(xiàn)象，皺褶缺陷檢測結(jié)果顯示缺陷處有貫穿試件寬度方向的凹痕。此檢測技術(shù)對幾種缺陷的檢測精度由高到低為夾砂缺陷、鼓脹缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷、皺褶缺陷、局部未浸透缺陷。

圖2 各類缺陷試件檢測圖Fig.2 Detection drawings of various defect specimens

表2 缺陷檢測結(jié)果對比Table 2 Comparison of defect detection results

2 拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)根據(jù)《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T 3354—2014)，采用位移控制加載，加載速率為2 mm/min。拉伸試驗(yàn)所用試件除試件尺寸外，其余參數(shù)和制作方法均與無損檢測試件一致。拉伸試驗(yàn)試件尺寸見圖3。

圖3 拉伸試驗(yàn)試件尺寸Fig.3 Tensile test specimen size

2.2 破壞特征分析

初始加載階段，所有試件表面無變化且未發(fā)出任何聲音。隨著荷載的增加，試件發(fā)出膠裂聲，繼續(xù)增加荷載，伴隨著膠裂聲的不斷出現(xiàn)，纖維絲束發(fā)生斷裂或者試件出現(xiàn)裂紋，荷載因此波動。繼續(xù)加載至極限荷載，試件均在發(fā)出巨響后失效，皺褶缺陷、分層缺陷、局部未浸透缺陷試件在試件中部發(fā)生纖維束斷裂破壞；無缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷、鼓脹缺陷試件纖維束斷裂處稍偏離試件中部，未損傷部分均約寬4～6 cm。試件破壞形式如圖4所示。

圖4 各類試件破壞形式Fig.4 Failure forms of various specimens

3 缺陷對纖維復(fù)合材料影響規(guī)律分析

3.1 破壞機(jī)制分析

無缺陷玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試件在縱向拉伸試驗(yàn)過程中拉力直接作用于試件兩端加強(qiáng)片處，荷載由兩端向試件中部擴(kuò)散成均勻分布的荷載。荷載由玻璃纖維和樹脂共同承受，樹脂主要將玻璃纖維連接成一個整體，其承受荷載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃纖維，所以在加載初期會出現(xiàn)樹脂膠裂的聲音。荷載持續(xù)增大，達(dá)到纖維樹脂界面的破壞荷載時，二者分離，試件進(jìn)行第一次應(yīng)力重分布，荷載由纖維承擔(dān)；荷載繼續(xù)增大，纖維斷裂或試件出現(xiàn)裂紋，此時承擔(dān)荷載的纖維就會變少，試件進(jìn)行第二次應(yīng)力重分布；在荷載持續(xù)增大的過程中斷裂的纖維越來越多，直至失去承載能力。

鼓脹缺陷試件在施加荷載使其由彎變直的過程中膠層斷裂，整體性降低，夾砂缺陷試件中的石砂抑制環(huán)氧樹脂的黏結(jié)性能，兩者均呈現(xiàn)出纖維束分離的破壞形式。皺褶缺陷試件在皺褶變形區(qū)與富樹脂區(qū)相連的鋪層位置處存在應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出皺褶處纖維斷裂，遠(yuǎn)離皺褶處纖維分離的破壞形式。氣泡缺陷試件孔隙處存在應(yīng)力集中，呈現(xiàn)出與無缺陷試件一致的纖維炸裂狀斷裂破壞形式。分層缺陷和局部未浸透缺陷的試件層間疏松，呈現(xiàn)出纖維分層斷裂破壞形式。

3.2 缺陷對纖維復(fù)合材料力學(xué)性能影響分析

圖5為去除離散性較大的數(shù)據(jù)后各類型試件荷載取平均值后的荷載-位移曲線。從圖5可以看出，所有試件的荷載均隨著位移的增加而不斷增大，在極限荷載前由于纖維的斷裂或者裂紋的出現(xiàn)有不同程度的荷載波動，且含缺陷試件的極限承載力均低于無缺陷試件。缺陷對玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能影響作用由大到小是鼓脹缺陷、夾砂缺陷、局部未浸透缺陷、皺褶缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷。

圖5 各試件荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of each specimen

鼓脹缺陷試件存在面積不等的富樹脂區(qū)域，在加載過程中會出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響其拉伸力學(xué)性能。夾砂缺陷中的石砂可能抑制環(huán)氧樹脂的黏結(jié)性能，基體/纖維界面受到影響，層間纖維被分開導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松[1]，且石砂會引起應(yīng)力集中，從而造成試件拉伸力學(xué)性能下降。含皺褶缺陷試件在變形區(qū)域與富樹脂區(qū)域相連接的鋪層位置處存在應(yīng)力集中[7-9]，降低了層合板的承載力；皺褶面積越大，富樹脂現(xiàn)象越明顯，對層合板承載力的影響越大。試件中存在氣泡會增加孔隙含量，減少層合板中層間界面的面積，且孔隙處是應(yīng)力集中區(qū)，從而降低試件的拉伸承載力。分層和局部未浸透缺陷試件層間疏松，基體和纖維結(jié)合差，降低了基體/纖維界面面積，影響其拉伸力學(xué)性能；相同缺陷面積，局部未浸透試件較分層試件層間更多纖維分離，所以拉伸力學(xué)性能較分層缺陷試件差。

4 結(jié)論

基于以鹵素?zé)魹榧钤吹募t外無損檢測裝置，對無缺陷、氣泡缺陷、局部未浸透缺陷、鼓脹缺陷、分層缺陷、皺褶缺陷、夾砂缺陷7種類型的玻璃纖維復(fù)合材料共35個試件進(jìn)行了無損檢測和拉伸破壞試驗(yàn)，從檢測效果、破壞機(jī)制和極限承載能力等方面進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論：(1)以光激勵為激勵源的紅外無損檢測技術(shù)能夠檢測局部未浸透、分層、氣泡、皺褶、夾砂、鼓脹6種缺陷，檢測精度由高到低為夾砂缺陷、鼓脹缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷、皺褶缺陷、局部未浸透缺陷。(2)缺陷對玻璃纖維復(fù)合材料極限抗拉強(qiáng)度影響作用由大到小是鼓脹缺陷、夾砂缺陷、局部未浸透缺陷、皺褶缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷。