复合材料多分层损伤演化声发射监测及力学性能研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 复合材料多分层损伤演化声发射监 测及力学性能研究 摘要：为研究多向玻璃纤维增强 复合材料的多分层演化行为与分层对其 力学性能的影响，对此材料在万能试验 机上进行了压缩实验，并全程采用声发 射监测记录。通过实验分析了复合材料 具有分层缺陷与否、多分层损伤所在的 位置对复合材料性能的影响。结果表明： 分层的存在对复合材料的性能有着很大 程度的影响，使得复合材料的抗压能力、 受外力时抵抗变形的能力、强度等大幅 度降低；缺陷尺寸越大，位置越靠近边 缘区域，对复合材影响越严重，试件声 发射信号的特征参数和力-位移曲线共 同记录并显示了试件破坏机制及全过程。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /7/view-12993453.htm 关键词：复合材料；多分层；声 发射；力学性能；安全性 中图分类号：TB330 文献标识码：A 文章编号： 16749944（2017）16020005 1 引言 在社会不断进步、经济不断发展 的时代，复合材料以其优越性能跃然跳 入人们眼帘，被广泛应用在多领域，并 将清洁、无污染新能源开发利用推上新 的台阶。在众多复合材料中，玻璃纤维 增强复合材料以其特有的优良性能而突 显，应用范围最广，应用量最大1 。 受生产工艺、材料自身特性等影响，复 合材料在生产、制备、工作过程中易出 现缺胶、分层、基体开裂、界面开裂、 纤维断裂等结构缺陷2 。分层还可能 是由边缘效应、冲击载荷等引起3。在 实际工作载荷下，复合材料缺陷会不断 累积、扩展，最终导致复合材料结构失 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 稳破坏，严重影响其综合力学性能4。 因此，为保证复合材料在使用过程中能 够保证结构不失稳、具有足够安全性与 可靠性，对其多分层损伤演化进行声发 射监测，并研究其力学性能，为复合材 料安全评估与服役提供重要、可靠依据 5。 2 研究概况 近年来，不少国内外学者和专家 研究了具有分层缺陷的复合材料性能， Aymerich、Finn 、Springer、Kim 等人6研 究了带有分层的复合材料在各种载荷下 的结构性能；Shon 和 Hu7研究了复合 材料在冲击和高应变速率下分层机制； 张璐、Greenhalgh、Reeder 等8对含分 层复合材料在压缩载荷下分层扩展做了 研究。但对复合材料多分层演化及其力 学性能的研究都较少，因此，笔者结合 复合材料多分层损伤演化行为进行声发 射监测，并对其力学性能、安全性进行 探究。 声发射检测技术是一种新兴的、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 对材料分层损伤较敏锐的检测方式，当 被检材料自身结构中分层在萌发、演化 过程中释放的能量传送到声发射后，声 发射对其进行分析并发出瞬态应力波， 以此来评估材料破坏情况，能及时监测 到材料微妙变化912 。 发射检测技 术基本原理如图 1 所示。根据声发射检 测原理及现实需要，本文对含有多分层 缺陷的树脂基玻璃纤维增强复合材料进 行多分层损伤演化声发射监测及力学性 能研究。 3 复合材料多分层损伤实验 3.1 实验材料 进行实验时，需要的材料有：玻 璃模板、真空袋塑料薄膜、脱膜布、导 流网、多向（呈45）玻璃纤维布、聚 四氟乙烯薄膜、环氧树脂、环氧树脂固 化剂、密封胶带、树脂管。 3.2 实验设备 实验过程中，采用 V-i120SV 真 空泵灌注树脂，制备复合材料层合板； 用 DZF 型真空干燥箱，对环氧树脂与 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 固化剂混合物进行脱泡、加热固化；采 用 AMSY-5 声发射仪，监测材料破坏全 过程，通过得到的数据、图文等对复合 材料进行相应研究；将试件在微C 控 制电子万能试验机上实行单项压缩实验， 得到相应力-位移图，对复合材料力学 性能进行探析；使用高速摄影机来获取 试件在外力加载过程中被破坏的照片， 记录其被破坏过程。 3.3 试样制备 试件制备时，将多向玻璃纤维布 剪成 280 mm200 mm 大小，如图 2， 然后铺置导流网、脱膜布，45方向铺 8 层多向玻璃纤维布，再依次铺脱膜布、 导流网、真空袋薄膜，最后用密封胶带 封闭四周，保证良好密封性。再按以上 顺序铺设，在纤维布第五、六、七层分 别预置长 10 mm、20 mm、40 mm 的聚 四氟乙烯薄膜（厚度为 0.05 mm） ，作 为预置人工缺陷，以制作出多分层缺陷 间隔一层纤维布试样。将长 10 mm、20 mm、40 mm 的聚四氟乙烯薄膜作为预 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 置人工缺陷分别铺设在多向玻璃纤维布 的第三层、第五层、第七层制作多分层 缺陷间隔两层试样。灌注完成后得到三 类树脂基玻璃纤维增强复合材料试件。 铺层完成后，将环氧树脂固化剂 与环氧树脂按 34100 质量比混合搅拌， 脱泡、灌注，室温固化 48h，之后在真 空干燥箱内，80下固化 12 h，得到灌 注成品（即复合材料层合板） ，如图 3 所示。最后，将得到的复合材料层合板 切割成 160 mm20 mm 长方形试件，如 图 4，进行试验研究。 3.4 声发射监测及力学加载实验 过程 试件两端贴 50 cm20 cm 铝片， 防夹具损坏试件影响实验。将试件含多 分层中间部位预留 60 mm，传感器固定 在试件预留 60 mm 一端。 实验开始前，设置万能试验机为 0.2 mm/min 加载速率位移控制，声发射 信号采集最低值为 34 dB。试件垂直夹 在万能试验机上，如图 5，开始实验。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 力学加载过程用高速摄影机记录其损毁 过程，如图 611 4 实验结果与讨论 4.1 复合材料损伤声发射信号探 析 内含多分层的复合材料进行单向 压缩实验过程中，出现大量声发射信号。 根据声发射仪器记录显示的各种声发射 信号特征参数（如撞击累积数、持续时 长等） ，分析此复合材料损伤行径、机 理与材料性能。 2017 年 8 月绿色科技第 16 期 如图 1214 分别显示了无缺陷 试件、缺陷隔一层试件和缺陷隔两层试 件声发射信号撞击数随时间的变化情况。 从图可知，压缩起始阶段，试件撞击 数变化非常缓慢。随时间增长、外载荷 变大，三类试件撞击数均明显增加。无 缺陷试件和缺陷隔两层试件在撞击数达 到峰值前几近成指数形式增长，无缺陷 试件加载至 700 s 时撞击数达峰值近 500，此时裂纹扩展速度最大，试件发 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 生屈曲，被彻底损坏；缺陷隔两层试件 加载到 740 s 时撞击数突增，裂纹快速 扩展，加载到 850 s 时达峰值 750，后 又下降至试件最终损毁；缺陷隔一层试 件相对其他两类试件受加载时间较短， 加载至 225 s 时撞击数达峰值 760，此 时，试件结构严重损伤，试件被完全破 坏，而其他两类试件在 225 s 几乎无声 发射撞击数信号。由以上分析知，无缺 陷试件和缺陷隔两层试件结构等失稳损 坏一般发生在加载进程后期，而缺陷隔 一层试件破坏发生在中后期，且缺陷隔 一层试件抗压性能最差，最容易受损。 试件进行单向压缩实验过程中，声发射 信号撞击数时间幅度图如图 1517。 从图 15 知，无缺陷试件加载初 期，声发射信号不活跃，试件处于抗压 范畴内，出现声发射信号可能是试件自 身缺陷或是加工、制造工艺不足所致； 加载近 400 s 时，整体声发射信号变活 跃，裂纹扩展较迅速，试件结构损伤逐 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 渐加重；随加载时间变长、损伤累积， 声发射信号快速活跃，幅度增大，均散 布在 6090 dB，众多损伤积累使撞击 数近乎呈指数形式增长，最终在 700 s 时高达峰值 500，试件被严重损毁。 从图 16 知，缺陷隔一层多分层 试件受载 25 s 前，含较少声发射信号， 幅度低于 60 dB，撞击数近为零，说明 此阶段试件损伤较少，可能是由基体开 裂或界面损伤所致；加载 25 s 后至结束， 试件含丰富声发射信号，幅度多分布在 4090 dB，此过程中声发射较活跃， 裂纹、分层等不断扩展，试件不断破损， 加载到最后，撞击数和幅度达到峰值， 分层扩展最大，试件完全损毁。 从图 17 知，缺陷隔两层多分层 试件在压缩初期，出现稀少声发射信号， 试件可能受到轻微损伤；加载 340 s 至 结束，信号均匀在 50100 dB，撞击数 和幅度达最大值时，试件损坏最迅速、 最严重，最后，试件出现完整多分层开 裂，裂痕清晰，分层明显。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 可见，复合材料含缺陷比无缺陷 时更易被破坏，且加载时间相同时，含 缺陷复合材料破坏程度更严重。从图 16、17 知，获得相同声发射信号幅度和 撞击数时，缺陷隔一层试件比缺陷隔两 层试件所需加载时间更短，更易出现分 层损伤、结构破损。因此，含缺陷与否、 缺陷位置对复合材料试件结构、综合性 能均有重要影响。 无缺陷试件、缺陷隔一层试件、 缺陷隔两层试件载荷相对能量图分别 见图 18、19、20。由图知，缺陷隔一层 试件最容易被破坏，所需破坏载荷最小， 无缺陷试件被完全破坏时相对能量最低， 缺陷隔两层试件相对能量最高，所需破 坏载荷最大。 4.2 复合材料力学性能分析及破 坏特征 在微机控制电子万能试验机上对 复合材料试件进行单向压缩实验，分析 其力学性能.得到力位移曲线如图 21。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 力学实验表明，外力加载初期， 缺陷隔两层试件位移随力变化最快，其 次是无缺陷试件，缺陷隔一层试件变化 最缓慢；就位移而言，无缺陷试件最小， 缺陷隔一层试件和隔两层试件所差不多； 能承受载荷峰值依次是缺陷隔两层试件、 无缺陷试件、缺陷隔一层试件。缺陷隔 两层试件力-位移曲线达载荷峰值前出 现波动，说明此时试件已有损伤，但损 伤不是最严重。由图 21 知，不同分层 缺陷的存在不同程度降低了复合材料抗 压能力；分层等缺陷的存在及位置都对 复合材料抗弯能力、刚度、结构、综合 力学性能等有影响。分层等缺陷的存在 使复合材料在服役过程中效果变差，综 合性价比降低，影响发展。因此，研究 复合材料多分层损伤演化过程、机制及 其力学性能有重大意义。 通过对试件进行单向压缩实验得 到三类不同试件力学实验数据如表 1。 无缺陷试件、缺陷隔一层试件、 缺陷隔两层试件最终破坏形貌特征各不 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 相同，如图 22、23、24。 5 结论 经实验数据显示与分析，得到如 下结论。 （1）由声发射信各种特征参 数和力学实验结果数据知，缺陷的存在 降低了复合材料抗压强度、安全性，减 弱了材料服役能力，影响了综合性能。 （2）实验所得复合材料多种相 关数据表明，在多分层缺陷尺寸相同情 况下，缺陷位置对复合材料力学性能、 安全性有重要影响，缺陷越靠近边缘处， 复合材料承受能力越差，越容易被损坏。 （3）压缩试验初期，试件声发 射信号不活跃，特征参数