不同拉伸速度下的碳布/环氧树脂复合材料声发射评价

卢 超，丁 鹏，陈振华，谢小林

(无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063）

0 引言

碳纤维复合材料是一种综合性能良好的新型结构材料，欧美日等国家都将其列为国家优先重点发展计划［1］。目前，碳纤维复合材料在飞机、导弹、火箭等众多领域发挥着不可替代的作用。例如，“神七”飞船所用的材料中，碳纤维复合材料的使用量占很大比例。此外，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机、军用飞机、大型客机上的使用量也分别占到70% ～80%、30% ～40%、15% ～50%［2］。由于技术原因，我国碳纤维复合材料在近几年才成功地实现国产化和产业化。这预示着我国碳纤维复合材料的应用进程的加速，因此，更方便快捷评价材料性能，预测材料缺陷的无损检测方式也将随之发展与应用。

声发射是指材料中局部源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，也称为应力波发射。材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制［3-4］。在对复合材料性能测试方面，传统方法常单纯使用力学方法或通过断口方式研究［5-7］，但力学实验研究的过程比较复杂，结合声发射检测可以对评价过程进行优化。国内外学者对于单向纤维复合材料以及其他材料都做过基于声发射检测的材料损伤性能分析，取得了一些成果［8-12］;但是对于碳布/环氧树脂复合材料，由于组分复杂，尤其对于航空用碳布不易得到，研究较少，而对于在考虑不同加载速度对碳布/环氧树脂复合材料损伤影响方面，相关的研究也相对较少。笔者通过不同加载速度，用声发射监测加载断裂过程，从而判断碳布/环氧树脂复合材料的失效参考载荷。

1 试验方法

1.1 试样

试样采用牌号为G803/5224的平纹编织碳布/环氧树脂预浸料制成，碳纤维的体积分数为60%～70%。试样的左右两端黏有用7层玻璃纤维增强型环氧树脂制作的加强片，加强片和试样表面用砂纸打磨并用丙酮清洗后用环氧胶黏剂黏接。按照GB/T 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法的要求制作试样，其形状及尺寸见图1。拉伸试样是在同批次、同条件下制备的。试样层数为8层，铺层角度为0°和45°。试样中间开直径为5.5 mm的圆孔。

图1 试样形状及尺寸图Fig.1 Shape and size of the specimens

1.2 试验过程

试验采用济南电子试验机厂生产的WDW－50微机控制电子试验机，声发射信号采集系统为美国物理声学公司生产的PCI－2声发射检测设备，接收传感器同样为美国物理声学公司生产的匹配R15α传感器，用凡士林做耦合剂，传感器间距为100 mm。实验设备装配图如2所示。

将声发射检测仪器前置放大增益设置为20 dB，根据环境噪声以及探头布置距离设置门槛值为45 dB，采样率设置为2 MHz，模拟滤波设置范围为20～3 000 kHz，采样长度3 k。用微机控制电子试验机分别以1、2、5 mm/min的速率拉伸试样，直至试样断裂，同时用声发射设备采集拉伸过程中产生的声发射信号。各不同拉伸速度的试样分别以试样A、试样B、试样C表示。

图2 实验设备装配图Fig.2 Assembly diagram of test equipment

2 结果及分析

2.1 时间相关图评价

将3种试样在加载过程中采集到的声发射信号归一化后的累积能量、累积计数和载荷随时间的变化情况建立相关关系，结果如图3所示。累积能量是指拉伸过程中产生的声发射信号的能量和，是声发射信号波形包络线下的面积的累积数据，单位为(μV)2。

通过3类试样的归一化累积能量、累积计数和载荷与时间的相关图可以发现:试样A在加载过程中，前半段时间计数、能量累积变化缓慢，在160 s出现转折点，此时对应的载荷约为最大载荷的60%;而在转折点后到试样断裂前的时间段内，能量累积速率又变得较平缓，在约270 s时能量累积达到最大值，试样断裂。此过程中，能量、计数累积较慢，这说明加载速度较低时，缺陷出现及扩展的速率也较低;以2 mm/min进行加载的试样B，在100 s以后出现累积能量的转折点，此时对应的载荷约为最大的载荷的60%，在约140 s处出现第二次较大转折，此时对应载荷为最大载荷的80%左右，之后声发射能量迅速累积，试样断裂，能量释放达到最大值。以5 mm/min进行加载的试样C，整个过程中声发射信号都较快增长，在54 s时出现转折点，此时对应的载荷为最大载荷的75%左右，此后声发射信号能量、计数累积速率均有所加快，试样断裂。

图3 时间相关图Fig.3 Time correlation diagram of specimen

通过以上分析可以清楚地发现，随着加载速度的提高，能量曲线的斜率增大，说明声发射能量的累积速率提高。同时可以发现，随着加载速度的增大，声发射信号产生的时间前移;但是3种加载速度的声发射能量、计数累积转折点的范围都在最大载荷的60% ～80%范围内，因此，考虑到实际应用中较少出现连续受载情况，将最大载荷的70%作为临界失效载荷。在时间相关图的载荷曲线上，初始部分呈现曲线的原因是在拉伸过程中夹头逐步夹紧试样造成的。

2.2 载荷相关图评价

通过2.1节分析，在最大载荷的60% ～80%载荷范围可以出现声发射信号累积能量、累积计数的转折点，因此，将声发射信号与载荷建立相关图。将每0.3 kN内发生的声发射计数、能量、持续时间累积，构建新的相关图，发现这3个相关图的形式是相同的，因此，仅以计数－载荷相关图进行分析。计数－载荷相关图如图4所示。

图4 计数－载荷相关图Fig.4 Counts-Load correlation diagram of the specimens

通过新构建的计数－载荷相关图可以看到，加载速度对碳布/环氧树脂复合材料的最大承受载荷几乎没有影响，最大损伤载荷都在18 kN左右。对比3条曲线可以看到明显的次峰，次峰出现在最大载荷的65% ～85%范围内，这与时间相关图上累积计数的转折点所对应的失效参考载荷一致。试样A分别在11 kN和16 kN出现次峰，在2个次峰之间的加载段内，声发射信号计数平缓增长。试样B在12 kN出现一个较高的次峰，试样断裂前声发射信号未出现更高的峰值。试样C出现相似的规律，开始时声发射信号平缓，在出现次峰后继续承受一段时间的载荷才发生断裂。因此，通过分析计数－载荷相关图，可以将临界失效载荷确定在11～16 kN，即最大载荷的70% ～80%范围内，在此范围之前产生的声发射信号较少，而在此范围以后声发射信号会在较小的载荷变化范围内突增，试样断裂。

3 结论

1)声发射检测对于评价材料性能方面存在较好的优势，通过声发射信号累积计数、累积能量等特征参数就能够比较准确的评价材料加载过程中的损伤情况。

2)以不同的加载速度对试样进行拉伸后发现，加载速度越大，声发射信号出现的时间提前，但是加载速度对临界失效载荷值影响较小。

3)对于碳纤维复合材料，可以将最大承载载荷的70%～80%作为碳布/环氧树脂复合材料的失效参考载荷，加载速度较大时可以将最大承载载荷的70%作为材料失效的参考载荷，而加载速度较小时，可以将最大承拉载荷的80%作为材料的失效参考载荷。

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