嚴(yán) 實(shí)，趙金陽(yáng)，陸夏美，曾 濤

（哈爾濱理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱150080）

三維編織復(fù)合材料突破了傳統(tǒng)復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的概念，具有多向紗線構(gòu)成空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從根本上克服了層板復(fù)合材料易分層、開(kāi)裂和抗沖擊性能差等缺點(diǎn)，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、抗沖擊韌性、抗疲勞斷裂性、耐燒蝕性和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性等，在航空、航天等高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1］。

由于編織復(fù)合材料的各向異性和非均勻性，對(duì)其力學(xué)性能的表征是十分困難的。目前主要采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究編織復(fù)合材料的沖擊力學(xué)行為和破壞機(jī)理。沖擊實(shí)驗(yàn)分為兩類：對(duì)低能量沖擊采用落錘沖擊實(shí)驗(yàn)方法，而對(duì)于高應(yīng)變率沖擊特性的研究采用高速?gòu)棑舴?，測(cè)試裝置主要包括高速氣槍和氫氣炮。Matemilola等[2］通過(guò)彈擊實(shí)驗(yàn)研究了碳纖維編織復(fù)合材料的沖擊損傷演化問(wèn)題，討論了試件尺寸、沖擊慣性能等因素對(duì)損傷狀態(tài)的影響。Portanova[3］研究了三維編織復(fù)合材料試件沖擊后的壓縮容限。Baucom等[4］對(duì)二維及三維編織復(fù)合材料的抗沖擊性能進(jìn)行了對(duì)比。

2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)也有一些對(duì)編織復(fù)合材料動(dòng)態(tài)性能研究的報(bào)道。沈懷榮[5］對(duì)三維整體編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行了高速對(duì)稱碰撞實(shí)驗(yàn)和彈丸穿靶實(shí)驗(yàn)。劉寧等[6］對(duì)含V型裂紋碳纖維編織復(fù)合材料梁的沖擊損傷與斷裂行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。顧伯洪等[7］針對(duì)三維編織芳綸／環(huán)氧復(fù)合材料采用準(zhǔn)靜態(tài)侵徹實(shí)驗(yàn)?zāi)M動(dòng)態(tài)侵徹。鄭海燕等[8］對(duì)編織型復(fù)合材料的沖擊及沖擊后壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。楊靈敏等[9］對(duì)高強(qiáng)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基三維多向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，與四向和五向編織結(jié)構(gòu)材料相比，三維六向編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料發(fā)生主要損傷時(shí)所需的沖擊載荷和沖擊能量較大，主要損傷持續(xù)時(shí)間最短，吸收的能量最少，且三維編織復(fù)合材料低速?zèng)_擊的主要失效模式有基體開(kāi)裂和纖維斷裂。李明等[10］對(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料采用落錘法預(yù)制沖擊損傷，進(jìn)行剩余拉伸試驗(yàn)，基于軟化夾雜模型進(jìn)行剛度衰減模擬，并預(yù)測(cè)了剩余拉伸強(qiáng)度?；矢繜樀萚11］應(yīng)用三維逐漸累積損傷理論和分析技術(shù)，建立了適用于編織型復(fù)合材料板低速?zèng)_擊及沖擊后壓縮破壞過(guò)程的一種全程分析方法。

聲發(fā)射是指物體受到外界作用時(shí)，內(nèi)部的應(yīng)變能以彈性波的形式迅速釋放出來(lái)的物理現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在材料損傷檢測(cè)方面的應(yīng)用做了大量工作，涉及的材料幾乎涵蓋了所有工程材料。王健等[12］對(duì)碳／環(huán)氧復(fù)合材料聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了小波分析，通過(guò)對(duì)比三點(diǎn)彎曲下不同損傷模式AE波形和FFT（快速傅里葉變換）波形，給出纖維斷裂、基體開(kāi)裂、界面分離、分層、界面摩擦損傷的AE參數(shù)特征。矯桂瓊等[13，14］針對(duì)編織 C／SiC復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了材料拉伸、壓縮的主要力學(xué)性能參數(shù)，并對(duì)材料的損傷演化及破壞規(guī)律進(jìn)行了聲發(fā)射參數(shù)分析和損傷模式識(shí)別。萬(wàn)振凱等[15］論述了聲發(fā)射技術(shù)在三維編織復(fù)合材料壓縮過(guò)程中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)方法，給出了聲發(fā)射在三維編織復(fù)合材料壓縮過(guò)程中的特征。任會(huì)蘭等[16］對(duì)陶瓷材料在兩種壓縮加載下破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

雖然編織復(fù)合材料力學(xué)性能的工作取得了一些突出的成績(jī)，但目前編織復(fù)合材料沖擊力學(xué)性能的理論與實(shí)驗(yàn)研究公開(kāi)發(fā)表的成果并不是很多，還不能清楚地解釋該材料在沖擊載荷作用下的演化規(guī)律，從而指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)和控制材料的失效。因此，本實(shí)驗(yàn)研究了不同編織工藝參數(shù)的三維六向碳／環(huán)氧編織復(fù)合材料在不同沖擊能量作用下的低速?zèng)_擊過(guò)程，同時(shí)用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)其破壞過(guò)程，分析該材料的低速?zèng)_擊損傷機(jī)理及演化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用所有試件由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備。增強(qiáng)纖維均為日本東麗公司生產(chǎn)的T700－12K碳纖維，基體材料為T(mén)DE－86環(huán)氧樹(shù)脂。試件采用三維六向編織工藝編織，再經(jīng)過(guò)RTM工藝固化成型。為了更好地研究三維六向編織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷過(guò)程，選用了不同編織工藝參數(shù)的試件進(jìn)行不同沖擊能量的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)，試件的工藝參數(shù)及沖擊沖擊能量如表1所示。試件尺寸為90mm×90mm×5mm。

所有實(shí)驗(yàn)均在Instron 9250HV型落錘加載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。并采用MISTRAS－2001全數(shù)字式聲發(fā)射系統(tǒng)，用寬頻（WD）探頭采集聲發(fā)射信號(hào)，探頭頻率范圍為100～1000kHz，增益設(shè)為40dB，信號(hào)觸發(fā)門(mén)檻值為45dB。

表1 三維六向碳／環(huán)氧編織復(fù)合材料試件的相關(guān)參數(shù)Table 1 The parameters of 3D6－directional carbon／epoxy braided composites

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表2給出了三維六向編織復(fù)合材料的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表2可知，對(duì)相同編織結(jié)構(gòu)的三維六向編織復(fù)合材料以不同的初始沖擊能量進(jìn)行沖擊時(shí)，沖擊能量越大，吸收總能量也越大。由于沖擊過(guò)程中的能量消耗是材料損傷的吸收能量。所以吸收的總能量越多，材料損傷就越大。不同編織角的三維六向編織復(fù)合材料以相同的初始沖擊能量進(jìn)行沖擊時(shí)，吸收總能量基本相同。

表2 試件的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Impact data of samples

由試件的沖擊載荷與時(shí)間曲線（圖1）可以看出，在沖頭剛開(kāi)始接觸三維六向編織復(fù)合材料板時(shí)，載荷和時(shí)間曲線就有很小的波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)試件就已經(jīng)出現(xiàn)了損傷。載荷與時(shí)間曲線的最大值也就是最大載荷為試件發(fā)生主要損傷時(shí)的載荷值，其對(duì)應(yīng)的能量即為主要損傷能量[9］。不同沖擊能量下的載荷與時(shí)間曲線中，在最大載荷的前后，曲線均發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，說(shuō)明試件在此階段發(fā)生了連續(xù)的不同形式的損傷，如纖維斷裂、基體開(kāi)裂等，這些破壞模式相互作用、相互影響，此階段是整個(gè)沖擊過(guò)程中發(fā)生主要損傷的階段[9］。由載荷－時(shí)間曲線可以看出，隨著沖擊能量的增大，損傷持續(xù)時(shí)間有增大趨勢(shì)，載荷－時(shí)間曲線波動(dòng)也越發(fā)劇烈。能量與時(shí)間曲線處于平穩(wěn)上升狀態(tài)，主要損傷接近停止時(shí)，能量達(dá)到最大值，之后，能量與時(shí)間曲線平穩(wěn)下降至某一固定值不變，而沖擊力與時(shí)間曲線則快速下降至零。

圖1 試樣的沖擊響應(yīng)Fig.1 Impact responses of samples

3 沖擊破壞模式與分析

由圖2可以看出。沖擊能量為45J和75J時(shí)，試件前表面均出現(xiàn)明顯凹坑，凹坑內(nèi)基體與纖維剝離，但沒(méi)有脫落，后表面均出現(xiàn)基體脫落和不同程度的纖維斷裂，且纖維斷面不平齊。隨著編織角的增加，試件前表面出現(xiàn)輕微的基體裂紋，后表面出現(xiàn)明顯凸起，基體剝離、脫落和纖維束斷裂現(xiàn)象減弱。說(shuō)明隨著編織角的增大，厚度方向的纖維分布比例增加，使得材料在厚度方向的抗沖擊性能得到提高。

圖2 試件的微觀損傷照片 （1）正面；（2）反面；（a）L1；（b）L2；（c）L3Fig.2 Macroscopic damage photos of specimens（1）front face；（2）rear face；（a）L1；（b）L2；（c）L3

試件受沖擊時(shí)，沖頭首先接觸到樹(shù)脂基體，導(dǎo)致接觸區(qū)樹(shù)脂基體因擠壓而變形，在基體發(fā)生擠壓變形的同時(shí)，纖維和基體的界面剪應(yīng)力也逐漸增大，使纖維和基體界面黏結(jié)減弱，導(dǎo)致基體從纖維上剝離。同時(shí)，隨著沖擊載荷的加大，接觸區(qū)的纖維也因擠壓而變形，從而在沖擊區(qū)形成凹坑。在試件厚度方向，由于試件受沖頭施加的壓力作用而發(fā)生彎曲變形，沖擊面一側(cè)受壓應(yīng)力作用，背面受拉應(yīng)力作用。隨著沖擊的進(jìn)行，彎曲變形的程度加大，纖維和基體受力增加，靠近試件背面一側(cè)的材料，由于拉應(yīng)力的作用使基體先發(fā)生斷裂，隨著變形的加大，纖維和基體界面間的黏結(jié)減弱，造成基體從纖維上剝離并脫落。隨著沖擊載荷的增加，試件背面沖擊區(qū)的纖維所承受的拉應(yīng)力也在增加，當(dāng)增加到纖維的強(qiáng)度極限時(shí)，纖維發(fā)生了斷裂。在沖擊過(guò)程中，損傷形成的過(guò)程就是能量被吸收的過(guò)程。

4 聲發(fā)射信號(hào)特征

聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，即材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中的檢測(cè)。由于復(fù)合材料組分和結(jié)構(gòu)形式的多樣性以及應(yīng)力狀態(tài)的不同，其損傷機(jī)理和破壞模式也各不相同，對(duì)此類材料的損傷描述也多采用不同的AE參數(shù)進(jìn)行多參數(shù)綜合分析。本工作主要采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)三維六向編織復(fù)合材料的低速?zèng)_擊測(cè)試過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析不同編織工藝參數(shù)試件的各聲發(fā)射參數(shù)歷程圖，篩選出適合反映材料損傷演化的聲發(fā)射特征參數(shù)，結(jié)合多參數(shù)歷程圖分析法，揭示三維六向碳／環(huán)氧編織復(fù)合材料低速才沖擊損傷演化過(guò)程。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的頻譜分析，確定損傷的頻譜特性。

4.1 聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分析

三維六向編織復(fù)合材料低速?zèng)_擊試件的典型時(shí)間－位移曲線及相應(yīng)的AE信號(hào)參數(shù)變化如圖3～5所示。這里分析的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)包括能量（信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積）、幅度（信號(hào)波形的最大振幅值，通常用dB表示）和峰值頻率（信號(hào)波形經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后頻譜曲線的峰值）

分析比較相同工藝參數(shù)在不同沖擊能量下的聲發(fā)射信號(hào)可知，隨著沖擊能量的增加，沖頭接觸試件表面的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，因此聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)分布要廣一些，在試件表面產(chǎn)生凹陷，釋放大量的應(yīng)變能之后，隨著沖擊能量的增加，試件本身吸收的能量也隨之增加，因此產(chǎn)生的損傷擴(kuò)展也隨之增加，這里主要是沿著纖維束界面的低頻基體開(kāi)裂信號(hào)（100Hz）和纖維束之間相互擠壓摩擦產(chǎn)生的中低頻（200～300Hz）塑性信號(hào)（如圖4所示）；而對(duì)于相同沖擊能量的不同編織工藝參數(shù)試件的聲發(fā)射信號(hào)而言，由于沖擊能量相同，沖頭接觸試件表面的時(shí)間基本相同（在2ms左右），但是隨著編織角度的增加，纖維間的排列更加緊密，限制了損傷在纖維束間的擴(kuò)展，損傷主要是沿著纖維束界面的基體開(kāi)裂，因此中頻的塑性信號(hào)相對(duì)較少（如圖5所示）。

圖3 L1試件的時(shí)間－位移曲線與相應(yīng)的AE行為分布 （a）AE能量；（b）AE幅度峰值頻率；（c）AE峰值頻率Fig.3 Time－displacement curve and distribution of AE behavior of L1specimen （a）AE energy；（b）AE amplitude；（c）AE peak frequency

圖4 L2試件的時(shí)間－位移曲線與相應(yīng)的AE行為分布 （a）AE能量；（b）AE幅度峰值頻率；（c）AE峰值頻率Fig.4 Time－displacement curve and distribution of AE behavior of L2specimen （a）AE energy；（b）AE amplitude；（c）AE peak frequency

圖5 L3試件的時(shí)間－位移曲線與相應(yīng)的AE行為分布 （a）AE能量；（b）AE幅度峰值頻率；（c）AE峰值頻率Fig.5 Time－displacement curve and distribution of AE behavior of L3specimen （a）AE energy；（b）AE amplitude；（c）AE peak frequency

總的來(lái)說(shuō)，試件破壞模式可主要分為兩類，即低頻的脆性信號(hào)特征和中低頻的塑性信號(hào)特征，且在材料的損傷演化過(guò)程中，兩類信號(hào)特征相互摻雜在一起（有的信號(hào)還同時(shí)具有脆性和塑性的特征），不易區(qū)分。

4.2 聲發(fā)射信號(hào)頻譜分析

聲發(fā)射的能量、事件數(shù)和幅值與損傷的大小，擴(kuò)展的快慢有直接的關(guān)系，用于表征試件宏觀損傷演化十分有用。然而這些信號(hào)受到傳播衰減和反射波的疊加等影響，很難與損傷的形式建立直接的聯(lián)系。聲發(fā)射頻率特性是通過(guò)對(duì)一個(gè)聲發(fā)射波形進(jìn)行頻率分布的分析得到的，即頻譜。聲發(fā)射的頻譜特性一般受其他因素的干擾較小，不同細(xì)觀損傷源所發(fā)出聲波的能量、事件數(shù)、振幅可能相同，但頻率一般不同。因此，聲發(fā)射的頻譜特性的分析可能成為判斷損傷類型的有效方法[17］。

聲發(fā)射信號(hào)的波形幾乎無(wú)損失地含有聲發(fā)射源的全部信息，波形信號(hào)的分析更適合細(xì)觀損傷機(jī)理的描述。這里采用寬頻探頭對(duì)三維編織試樣低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取全部的聲發(fā)射波形信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)快速Fourier變換（FFT）處理，提取其實(shí)部參數(shù)進(jìn)行分析。測(cè)試中試件損傷的典型聲發(fā)射信號(hào)的FFT實(shí)部參數(shù)波形如圖6～8所示。

圖6 L1試件的聲發(fā)射特性 （a）波形圖；（b）頻譜曲線Fig.6 The character of AE signals for L1specimen（a）waveform；（b）spectrum curve

圖7 L2試件的聲發(fā)射特性 （a）波形圖；（b）頻譜曲線Fig.7 The character of AE signals for L2specimen（a）waveform；（b）spectrum curve

圖6是三種試件沖擊損傷時(shí)的典型信號(hào)，試件破壞時(shí)原始波形幅值很大，是大幅值高能量的信號(hào)特征，其峰值頻率很低，這是材料的脆性斷裂特征引起的。沖擊能量和編織角度對(duì)典型聲發(fā)射信號(hào)影響不大，即不同沖擊能量和編織角度試件的低速?zèng)_擊損傷機(jī)理相同，是纖維束和基體瞬間斷裂，釋放大量的應(yīng)變能，可以聽(tīng)到材料斷裂爆音（高能量低頻率信號(hào)）。圖7中是在編織角度較小的試件（L1和L2試件）中出現(xiàn)的波形信號(hào)特征，波形持續(xù)時(shí)間較短，且幅值不大，但其峰值頻率較高（200kHz左右），為塑性信號(hào)特征，是由纖維束間相互擠壓摩擦產(chǎn)生的。對(duì)于編織角度較大的試件（L3試件）這種塑性信號(hào)特征不明顯，這是因?yàn)殡S著編織角度的增加，纖維間的排列更加緊密，限制了損傷在纖維束間的擴(kuò)展。圖8也是三種試件沖擊時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)特征，雖然也有高能量低頻率的脆性斷裂信號(hào)出現(xiàn)，但與圖6的信號(hào)特征相比，其脆斷的特征不明顯，主要是由沿纖維束界面的基體裂紋引起的。

圖8 L3試件的聲發(fā)射特性 （a）波形圖；（b）頻譜曲線Fig.8 The character of AE signals for L3specimen（a）waveform；（b）spectrum curve

5 結(jié)論

（1）隨初始沖擊能量的增大，三維六向編織復(fù)合材料板的沖擊損傷面積加大，材料的吸收總能量增大，損傷加劇明顯。

（2）三維六向編織復(fù)合材料板的沖擊損傷面積隨編織角的增大有減小趨勢(shì)，材料的吸收總能量減小，損傷明顯減弱，說(shuō)明編織角的增加能有效改善材料在厚度方向的抗沖擊性能。

（3）聲發(fā)射技術(shù)對(duì)三維編織復(fù)合材料損傷表征和安全性、完整性評(píng)價(jià)非常有效。分析了主要破壞模式相應(yīng)的AE參數(shù)，可用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中破壞模式的識(shí)別及材料損傷演化過(guò)程的研究。

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