基于声发射技术的芳纶1414/聚丙烯拉伸损伤性能研究

戚琳琳 崔建伟 李 懿 晏 雄

(1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620; 2.南通大学纺织服装学院，南通，226007)

基于声发射技术的芳纶1414/聚丙烯拉伸损伤性能研究

戚琳琳1崔建伟2李 懿1晏 雄1

(1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海，201620; 2.南通大学纺织服装学院，南通，226007)

通过拉伸试验和声发射试验，研究芳纶1414(PPTA)/聚丙烯(PP)复合材料拉伸破坏的声发射特性;通过分析增强纤维和基体在拉伸破坏过程中的声发射参数特征，得出基体断裂和纤维断裂的声发射特性。

拉伸破坏，声发射技术，参数分析，PPTA/PP复合材料

自20世纪80年代以来，以通用工程塑料如PP为基体树脂的热塑性树脂基复合材料越来越受到人们的关注，并成为复合材料领域异常活跃的研究开发热点［1-2］。但复合材料在制造和使用过程中容易产生不可目视的内部损伤，严重影响结构使用的安全可靠性，所以对其破坏过程和损伤机理的研究是复合材料及其结构研制、设计与质量检验的重大课题［3］。

近年来，声发射检测作为无损检测的一种重要方法，在复合材料力学性能检测和复合材料破坏机理研究中起到的作用被越来越多的科学工作者所重视。复合材料具有复杂的损伤形式，大致可分为纤维断裂、基体开裂、脱黏、分层等几种主要形式［4-6］，而每种损伤形式对复合材料的综合力学性能的影响程度又存在差别，因此对复合材料的研究必须对这些损伤形式进行研究。每一种损伤在拉伸损伤及演变过程中的声发射特性不同，声发射技术作为一种动态分析方法，对于分析损伤过程非常有效，是研究复合材料拉伸破坏、发展演变及力学性能最有效的方法之一。

芳纶1414(PPTA)/聚丙烯(PP)增强复合材料有机结合了增强纤维与基体树脂的综合性能，具有比强度高、比模量高等优良性能［7］。外界载荷通过基体与增强纤维界面的剪切作用传递给纤维，纤维承担主要载荷，使复合材料整体呈现出高强度、高模量等特征，广泛应用于航空航天、军事、汽车、机械、电子电气、石化等领域，尤其在航空航天等结构材料领域中越来越显示出重要作用［8］。为此，对其力学性能和破坏机理的研究显得尤为必要。

本文经过一系列试验，分析了PPTA纤维束和PP基体在拉伸损伤过程中表现出来的声发射参数特性，对后续研究单层板及层合板的声发射特性和拉伸破坏机理提供了参考依据。

1 试验阶段

1.1 试验材料及仪器

PP 薄膜厚 0.05 mm，密度0.93 g/cm3，熔体流动温度165℃;PPTA纤维束1670D/1000F，平均直径 0.38 mm，密度 1.44 g/cm3，强力(22.5 ±2.5)g/D，伸长率(3.6 ±0.5)%，模量 500 g/D，上海相润贸易有限公司。平板硫化机，上海轻工机械股份有限公司;华龙WDW-20型万能材料试验机，上海华龙测试仪器厂;PCI-2 BASED AE SYSTEM，Physical Acoustics公司。

1.2 试验原理

为了使传感器与试验材料耦合良好，不受外界环境影响，所用的耦合剂为真空润滑脂，在测试前均匀地涂在传感器的测试表面。图1为声发射测试系统，本试验采用R15型谐振式传感器，用松紧带将其固定在试样表面，尽量放在试样的中间位置，沿试样长度方向进行拉伸。

图1 声发射测试系统框架图［9］

1.3 试样尺寸

依据GB/T 3354—1999《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》及GB/T 1446—1983《纤维增强塑料性能试验方法》来确定试样，基体材料长度为120 mm，宽度为20 mm，厚度为0.8 mm，纤维束长度为120 mm。

2 结果与讨论

2.1 PP 基体

拉伸速度为2 mm/min，隔距为60 mm，声发射参数为区域定位。前放40 dB，门槛42 dB，PDT(信号峰值定义时间)50 μs，HDT(撞击定义时间)100 μs，HLT(撞击闭锁时间)300 μs。

在拉伸过程中，PP基体的负荷—时间和应力—应变曲线分别如图2和图3所示。由图3可知，PP的应变不大，这是因为PP是刚性热塑性材料，且低温脆性大，试样在预定拉伸速度下测得的拉伸强度为 21.16 MPa，拉伸模量为 9.27 MPa，断裂应变为27.22%。拉伸曲线初始阶段由高度线性到稍微缓和，初始模量很大，当应变为8%左右时材料开始屈服，强度稍微下降。应变在不断增加的过程中，应力波动较小，试样出现微裂纹，这与材料的分子链取向及再结晶有关，同时与材料的等规度以及在热压过程中引起的球晶尺寸增大和密堆有关，与PP本身的区域缺陷和立构缺陷也有一定的关系。当达到材料的临界应变时，试样产生破坏性断裂。由图2，可将材料的拉伸演化分为三个阶段。第一阶段(0～150 s)为基本线性阶段，第二阶段(150～430 s)为塑性变形阶段，第三阶段430 s至断裂。整个拉伸过程呈现出热塑性树脂基体的特点，同时由于材料本身的脆性显示出一定的刚性特点。

图2 PP基体的负荷—时间曲线

图3 PP基体的应力—应变曲线

图4为PP的声发射各参数时间历程。声发射各参数在时间上表现出离散性，由图4(a)可知，振铃计数显示频率间隔的区域分布(0～150 s，400 s～断裂)。第一阶段(0～150 s)，信号主要来自基体的原始缺陷，如气泡、微孔、微裂纹、杂质等，以及材料本身成型过程中的区域缺陷和立构缺陷，在外部载荷作用下而发生破坏。由图4(b)可见，振幅大多为50 dB，只有少量达到60～70 dB。第二阶段(150～430 s)，信号主要来自基体材料自身球晶尺寸增大和密堆，以及基体在塑性变形过程中而引起的内部结构变化;同时第一阶段产生的微裂纹逐步扩展，在试样表面可以观察到明显的横纹现象。图4(c)中，在第二阶段以前几乎没有能量，说明热塑性基体在塑性变形阶段的声发射信号比较弱，而到最后断裂时能量很大，达到5 000 uvs以上，说明材料本身在低温时脆性明显。第三阶段(430 s至断裂)，由图4(a)可知，振铃计数出现大幅变化，信号主要是由基体表面横纹损伤最严重的地方发生破坏性断裂所引起的，相应的能量也出现了明显的波动［图4(c)］，振幅为90～100 dB［图4(b)］，持续时间为3 000～3 600 μs［图4(d)］。各声发射参数的这种大幅度变化，与基体最终破坏产生的强烈应力波有关。

图4 PP基体的声发射各参数时间历程

2.2 PPTA 纤维束

拉伸速度1 mm/min，声发射参数为区域定位。前放 40 dB，门槛 42 dB，PDT 50 μs，HDT 100 μs，HLT 300 μs。为便于放置传感器及固定纤维束，制成经过PP浸渍而成的预浸料，再裁切成单束纤维束的试样。

PPTA纤维束在拉伸过程中的负荷—时间和应力—应变曲线如图5和图6所示。由图5可知，纤维在断裂之前的拉伸破坏基本上为脆性断裂，之后为PP的蠕变塑性变形及断裂过程。纤维束的拉伸断裂过程可分为三个阶段，第一阶段(0～120 s)基本为线性过程，第二阶段(120～170 s)为屈服阶段，第三阶段(170 s以后至200 s)为纤维束断裂过程。从图6可知，拉伸强度为78.86 MPa，拉伸模量为67.99 MPa，断裂应变为4.61%。拉伸曲线在第一阶段大致为线性，在3.3% ～4.7%时有点屈服。在170～200 s范围内，拉伸曲线呈现多次应力波动且直线下降，原因是纤维束中的单纤根数较多，部分纤维的缺陷以及纤维伸直状态的差异导致纤维断裂的不同时性，这种纤维束断裂的不同时性也导致束纤维的强度偏低。

图5 PPTA纤维束的负荷—时间曲线

图6 PPTA纤维束的应力—应变曲线

图7为PPTA纤维束声发射各参数时间历程。第一阶段(0～120 s)，图7(a)中振铃计数较小，变化较平稳，基本集中在20次左右，个别超过30次，说明纤维束几乎未受到损伤，主要为弹性变形;图7(c)中能量几乎为0，说明纤维基本未受损伤;图7(b)中振幅为40～50 dB，40、90 s左右分别出现了60及75 dB以上的振幅，分析其原因:一是浸渍基体在拉伸中由于变形而产生的微裂纹引起的，二是纤维束中的缺陷纤维发生断裂而引起的。第二阶段(120～170 s)，图7(a)中振铃计数变化不大，试件进入屈服伸展阶段，在150 s附近出现了一次大于85 dB的大振幅，相应的图7(c)中的能量也有较大波动，说明一些纤维无法承受载荷而破坏，且破坏程度明显大于第一阶段。第三阶段(170～200 s)，振铃计数先增大然后逐渐减小，说明纤维束在逐步断裂过程中，纤维束的主体断裂使声发射信号达到高峰，但由于纤维根数较多，纤维之间的抱合摩擦作用使得振铃计数逐渐减小，这与拉伸曲线最后断裂时的波动性相符合，图7(c)中能量的变化也说明了这一点。振幅主要集中在75～100 dB，持续时间为 480 ～800 μs，这些参数的变化均与纤维断裂有直接关系。

3 结语

对PP基体和PPTA纤维束进行拉伸破坏试验，并对此过程中的损伤及演化发展进行了声发射动态测试，通过声发射参数分析得到基体和增强纤维的声发射特征。

图7 PPTA纤维束的声发射各参数时间历程

(1)从基体的拉伸破坏过程来看，声发射各参数在时间上表现出离散性。在小应变(＜8%)时，信号主要来自基体的原始缺陷，如气泡、微孔、微裂纹、杂质等，以及材料本身成型过程中的区域缺陷和立构缺陷，在外部载荷作用下而发生破坏，振幅约为50 dB;相应的持续时间分布范围较广，基本在100～600 μs;而到最后断裂时能量很大，达到5 000 uvs以上，说明材料本身在低温时脆性明显。信号大幅变化主要来源于基体横纹最严重的部分发生的断裂，振幅为90～100 dB，持续时间为3 000 ～3 600 μs。

(2)对于PPTA纤维束的拉伸破坏，声发射信号是一个渐增渐减的过程，这与纤维束中纤维根数较多有关，呈现一个逐步断裂的过程。PPTA纤维束主体的断裂使声发射信号达到高峰，但由于纤维根数较多，纤维之间的抱合摩擦作用使信号出现先增大后逐步减小的趋势，振幅为75～95 dB，持续时间为480 ～800 μs。

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On the tensile damage performance of PPTA/PP composite based on acoustic emission technique

Qi Linlin1，Cui Jianwei2，Li Yi1，Yan Xiong1
(1.Key Lab of Textile Science and Technology of Educntion Ministry，Donghua University;2.College of Textile and Clothing，Nantong University)

Based on tensile experiments and acoustic emission(AE)technique，the AE characteristics of tensile destruction of PPTA/PP composite were studied.Through the analysis of the AE parameters characteristics of the reinforced fiber and matrix during the tensile failure process，the AE characteristics of the reinforced fiber and matrix were also got.

tensile damage，AE technique，parameter analysis，PPTA/PP composite

TS102.4

A

1004－7093(2011)08－0024－05

2011－03－21

戚琳琳，女，1986年生，在读硕士研究生。主要从事高性能纤维方面研究。

晏雄，E-mail:yaxi@dhu.edu.cn