复合材料多分层损伤演化声发射监测及力学性能研究

郝敏娟 苏世亮

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。

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Hu[7]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、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[9～12]。 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；将试件在微機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 mm×200 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34∶100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 mm×20 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 cm×20 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。力学加载过程用高速摄影机记录其损毁过程，如图6～11

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12～14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。endprint

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15～17。

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60～90 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40～90 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50～100 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。

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。

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）由声发射信號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，特征参数值较小，力学特征参数力-位移图上曲线为平滑曲线，没有出现波动，说明此阶段试件结构无损伤或有轻微损伤；随时间或位移增加，试件声发射信号变丰富，特征参数值增加，力-位移曲线图出现不同幅度波动，试件被不同程度损伤，直至试件最终被完全破坏。可见，声发射信号特征参数和力-位移曲线共同记录显示了试件破坏机制和行径，为进一步了解复合材料多分层损伤演化及力学性能提供重要依据，对复合材料更好地服役、服务社会具有重要意义。

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2017年8月绿色科技第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