盧 超，丁 鵬，陳振華，謝小林

(無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料是一種綜合性能良好的新型結(jié)構(gòu)材料，歐美日等國家都將其列為國家優(yōu)先重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃［1］。目前，碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。例如，“神七”飛船所用的材料中，碳纖維復(fù)合材料的使用量占很大比例。此外，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)、軍用飛機(jī)、大型客機(jī)上的使用量也分別占到70% ～80%、30% ～40%、15% ～50%［2］。由于技術(shù)原因，我國碳纖維復(fù)合材料在近幾年才成功地實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。這預(yù)示著我國碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)程的加速，因此，更方便快捷評(píng)價(jià)材料性能，預(yù)測(cè)材料缺陷的無損檢測(cè)方式也將隨之發(fā)展與應(yīng)用。

聲發(fā)射是指材料中局部源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制［3-4］。在對(duì)復(fù)合材料性能測(cè)試方面，傳統(tǒng)方法常單純使用力學(xué)方法或通過斷口方式研究［5-7］，但力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的過程比較復(fù)雜，結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)可以對(duì)評(píng)價(jià)過程進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于單向纖維復(fù)合材料以及其他材料都做過基于聲發(fā)射檢測(cè)的材料損傷性能分析，取得了一些成果［8-12］;但是對(duì)于碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，由于組分復(fù)雜，尤其對(duì)于航空用碳布不易得到，研究較少，而對(duì)于在考慮不同加載速度對(duì)碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料損傷影響方面，相關(guān)的研究也相對(duì)較少。筆者通過不同加載速度，用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)加載斷裂過程，從而判斷碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的失效參考載荷。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣

試樣采用牌號(hào)為G803/5224的平紋編織碳布/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制成，碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為60%～70%。試樣的左右兩端黏有用7層玻璃纖維增強(qiáng)型環(huán)氧樹脂制作的加強(qiáng)片，加強(qiáng)片和試樣表面用砂紙打磨并用丙酮清洗后用環(huán)氧膠黏劑黏接。按照GB/T 1447—2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法的要求制作試樣，其形狀及尺寸見圖1。拉伸試樣是在同批次、同條件下制備的。試樣層數(shù)為8層，鋪層角度為0°和45°。試樣中間開直徑為5.5 mm的圓孔。

圖1 試樣形狀及尺寸圖Fig.1 Shape and size of the specimens

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用濟(jì)南電子試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的WDW－50微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)，聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)為美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI－2聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備，接收傳感器同樣為美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的匹配R15α傳感器，用凡士林做耦合劑，傳感器間距為100 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝配圖如2所示。

將聲發(fā)射檢測(cè)儀器前置放大增益設(shè)置為20 dB，根據(jù)環(huán)境噪聲以及探頭布置距離設(shè)置門檻值為45 dB，采樣率設(shè)置為2 MHz，模擬濾波設(shè)置范圍為20～3 000 kHz，采樣長度3 k。用微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)分別以1、2、5 mm/min的速率拉伸試樣，直至試樣斷裂，同時(shí)用聲發(fā)射設(shè)備采集拉伸過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。各不同拉伸速度的試樣分別以試樣A、試樣B、試樣C表示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝配圖Fig.2 Assembly diagram of test equipment

2 結(jié)果及分析

2.1 時(shí)間相關(guān)圖評(píng)價(jià)

將3種試樣在加載過程中采集到的聲發(fā)射信號(hào)歸一化后的累積能量、累積計(jì)數(shù)和載荷隨時(shí)間的變化情況建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。累積能量是指拉伸過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的能量和，是聲發(fā)射信號(hào)波形包絡(luò)線下的面積的累積數(shù)據(jù)，單位為(μV)2。

通過3類試樣的歸一化累積能量、累積計(jì)數(shù)和載荷與時(shí)間的相關(guān)圖可以發(fā)現(xiàn):試樣A在加載過程中，前半段時(shí)間計(jì)數(shù)、能量累積變化緩慢，在160 s出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷約為最大載荷的60%;而在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后到試樣斷裂前的時(shí)間段內(nèi)，能量累積速率又變得較平緩，在約270 s時(shí)能量累積達(dá)到最大值，試樣斷裂。此過程中，能量、計(jì)數(shù)累積較慢，這說明加載速度較低時(shí)，缺陷出現(xiàn)及擴(kuò)展的速率也較低;以2 mm/min進(jìn)行加載的試樣B，在100 s以后出現(xiàn)累積能量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷約為最大的載荷的60%，在約140 s處出現(xiàn)第二次較大轉(zhuǎn)折，此時(shí)對(duì)應(yīng)載荷為最大載荷的80%左右，之后聲發(fā)射能量迅速累積，試樣斷裂，能量釋放達(dá)到最大值。以5 mm/min進(jìn)行加載的試樣C，整個(gè)過程中聲發(fā)射信號(hào)都較快增長，在54 s時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷為最大載荷的75%左右，此后聲發(fā)射信號(hào)能量、計(jì)數(shù)累積速率均有所加快，試樣斷裂。

圖3 時(shí)間相關(guān)圖Fig.3 Time correlation diagram of specimen

通過以上分析可以清楚地發(fā)現(xiàn)，隨著加載速度的提高，能量曲線的斜率增大，說明聲發(fā)射能量的累積速率提高。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著加載速度的增大，聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間前移;但是3種加載速度的聲發(fā)射能量、計(jì)數(shù)累積轉(zhuǎn)折點(diǎn)的范圍都在最大載荷的60% ～80%范圍內(nèi)，因此，考慮到實(shí)際應(yīng)用中較少出現(xiàn)連續(xù)受載情況，將最大載荷的70%作為臨界失效載荷。在時(shí)間相關(guān)圖的載荷曲線上，初始部分呈現(xiàn)曲線的原因是在拉伸過程中夾頭逐步夾緊試樣造成的。

2.2 載荷相關(guān)圖評(píng)價(jià)

通過2.1節(jié)分析，在最大載荷的60% ～80%載荷范圍可以出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)累積能量、累積計(jì)數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，將聲發(fā)射信號(hào)與載荷建立相關(guān)圖。將每0.3 kN內(nèi)發(fā)生的聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間累積，構(gòu)建新的相關(guān)圖，發(fā)現(xiàn)這3個(gè)相關(guān)圖的形式是相同的，因此，僅以計(jì)數(shù)－載荷相關(guān)圖進(jìn)行分析。計(jì)數(shù)－載荷相關(guān)圖如圖4所示。

圖4 計(jì)數(shù)－載荷相關(guān)圖Fig.4 Counts-Load correlation diagram of the specimens

通過新構(gòu)建的計(jì)數(shù)－載荷相關(guān)圖可以看到，加載速度對(duì)碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的最大承受載荷幾乎沒有影響，最大損傷載荷都在18 kN左右。對(duì)比3條曲線可以看到明顯的次峰，次峰出現(xiàn)在最大載荷的65% ～85%范圍內(nèi)，這與時(shí)間相關(guān)圖上累積計(jì)數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的失效參考載荷一致。試樣A分別在11 kN和16 kN出現(xiàn)次峰，在2個(gè)次峰之間的加載段內(nèi)，聲發(fā)射信號(hào)計(jì)數(shù)平緩增長。試樣B在12 kN出現(xiàn)一個(gè)較高的次峰，試樣斷裂前聲發(fā)射信號(hào)未出現(xiàn)更高的峰值。試樣C出現(xiàn)相似的規(guī)律，開始時(shí)聲發(fā)射信號(hào)平緩，在出現(xiàn)次峰后繼續(xù)承受一段時(shí)間的載荷才發(fā)生斷裂。因此，通過分析計(jì)數(shù)－載荷相關(guān)圖，可以將臨界失效載荷確定在11～16 kN，即最大載荷的70% ～80%范圍內(nèi)，在此范圍之前產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較少，而在此范圍以后聲發(fā)射信號(hào)會(huì)在較小的載荷變化范圍內(nèi)突增，試樣斷裂。

3 結(jié)論

1)聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)于評(píng)價(jià)材料性能方面存在較好的優(yōu)勢(shì)，通過聲發(fā)射信號(hào)累積計(jì)數(shù)、累積能量等特征參數(shù)就能夠比較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)材料加載過程中的損傷情況。

2)以不同的加載速度對(duì)試樣進(jìn)行拉伸后發(fā)現(xiàn)，加載速度越大，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間提前，但是加載速度對(duì)臨界失效載荷值影響較小。

3)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料，可以將最大承載載荷的70%～80%作為碳布/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的失效參考載荷，加載速度較大時(shí)可以將最大承載載荷的70%作為材料失效的參考載荷，而加載速度較小時(shí)，可以將最大承拉載荷的80%作為材料的失效參考載荷。

［1］益小蘇.先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006:1 －44.

［2］王春靜，代云霏.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(2):14 －15.

［3］李家偉，陳積愗.無損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:244－255.

［4］《國防科技工業(yè)無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材》編審委員會(huì).聲發(fā)射檢測(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:1－6.

［5］陳新文，馬麗婷，李曉駿，等.玻璃布增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料拉伸疲勞失效判據(jù)［J］.失效分析與預(yù)防，2010，5(4):216－220.

［6］張興金，鄧忠林.碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)鋁合金梁的界面應(yīng)力分析［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010，30(3):45－47.

［7］汪喜和，陳永，劉圣新，等.顆粒增強(qiáng)SiCp/6061Al復(fù)合材料焊接接頭組織與拉伸斷裂行為［J］.失效分析與預(yù)防，2007，2(3):7－11.

［8］Kostopoulos V，Loutas T H，Kontsos A，et al.On the identification of the failure mechanisms in oxide/oxide composites using acoustic emission［J］.NDT ＆ E International，2003，36(8):571－580.

［9］Pasi A，Lippo V J L，Arzu T，et al.Acoustic emission analysis of fiber-reinforced composite in flexural testing［J］.Dental Materials，2004，20(4):305 －312.

［10］Gregory N M.Modal acoustic emission of damage accumulation in a woven SiC/SiC composite［J］.Composites Science and Technology，1999，59(5):687 －697.

［11］賈莉莉，王汝笠.鋼筋混凝土材料損傷的聲發(fā)射信號(hào)處理［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，(14):4232 －4237.

［12］張志鎮(zhèn)，高峰，徐小麗.花崗巖單軸壓縮的上發(fā)射特征及熱力耦合模型［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào).2010，6(1):70－74.