聲發射是一種常見的物理現象,是指材料中局部能量快速釋放產生瞬態彈性波的過程。大多數材料變形和斷裂時都有聲發射發生,材料不同的損傷階段其聲發射信號特征不同,通過分析聲發射信號特征可以了解材料內部的損傷情況。對材料在受載過程中的損傷破壞進行實時檢測,聲發射技術無疑是一種有效的方法[1]。

復合材料損傷破壞過程相當復雜,復合材料自身的組織結構、組分、材料性質、加載形式、加工工藝、環境條件等都會誘發復合材料內部不同的微觀損傷破壞過程。聲發射技術可以區分復合材料不同階段的斷裂特性,如基體開裂、界面損傷和纖維斷裂等。

筆者現以環氧樹脂為研究對象,通過聲發射技術研究其損傷過程。

1　實驗部分

1. 1　原材料

環氧樹脂:E-51,無錫樹脂廠;

端羧基聚丁二烯丙烯腈(CTBN):淄博齊龍化工有限公司;

環氧樹脂活性增韌劑(CMP):溫州清明化工有限公司;

丁腈:蘭州石化公司。

1. 2　主要儀器

多通道聲發射儀:DISP-4型,美國PAC公司;傳感器: R15型,諧振頻率150KHz,美國PAC公司;

電子拉力試驗機: T-10A型,深圳市瑞格爾儀器有限公司。

1. 3　實驗方法及條件

將環氧樹脂澆注成型板按GB/T2567-2008要求水切割加工成圖1所示試樣。將試樣安裝到電子拉力試驗機的加載裝置上,用橡皮帶將兩個聲發射傳感器固定在試樣一側,傳感器和試樣之間用凡士林耦合,然后將傳感器與聲發射儀連接。聲發射試驗示意圖見圖2。

　　

 

環氧樹脂試樣拉伸損傷過程的聲發射特性研究共進行了直接拉伸斷裂、分級加載拉伸斷裂和重復加載拉伸斷裂3種方式的試驗,試驗條件見表1。

　　

 

進行直接拉伸斷裂試驗時是將試樣一次拉斷;分級加載拉伸斷裂試驗時,先根據直接拉伸斷裂得到材料斷裂最大力值平均值的25%、50%、75%設置三個加載臺階進行分級拉伸,第三個臺階結束后將試樣拉斷,每個載荷臺階下保載時間分別為2、3、2min;進行重復加載拉伸斷裂試驗時,先按照直接拉伸斷裂得到的材料斷裂力值最大力值平均值的25%、50%、75%設置三個加載力峰值重復加載三次,第四次拉斷。
 
       2　結果與討論

2. 1　直接拉伸斷裂過程的聲發射特性

(1)數據分析

圖3、圖4、圖5分別為環氧樹脂試樣拉伸過程負荷-聲發射幅度-時間曲線、負荷-振鈴計數-時間曲線和聲發射各參數時間歷程圖。

　　

 從圖3~圖5可以看出,整個過程產生聲發射信號較少,試驗中共采集聲發射信號184個。從振鈴計數曲線的斜率來看,振鈴計數曲線可以分為三部分: 0~3 s、3~76 s、76 s~斷裂,據此可以將整個拉伸斷裂過程分三個階段。

第一階段為損傷孕育階段,環氧樹脂試樣原始缺陷如氣泡等受外部載荷而產生損傷。

第二階段為損傷累積發展階段,聲發射起始載荷為1564 N,由原始缺陷產生的損傷變成了基體微裂紋,隨著拉伸的進行微裂紋進一步擴展,導致應力快速釋放到相鄰區域產生更多的基體微裂紋。從圖3、圖4可以看出,聲發射信號數量和幅度隨載荷的上升而穩定變化。從圖5a、b、c可以看出信號幅度主要集中在30~60 dB,信號持續時間小于400μs,產生的能量計數較弱。此階段共采集到174個聲發射信號,損傷類型為樹脂微觀裂紋。

　　

 第三階段為失穩破壞階段,隨著基體微裂紋大量的產生,損傷能量積累到極限發生失穩性破壞,信號主要來源于基體損傷最嚴重部分發生斷裂,從圖5c可以看出,能量計數大幅提高。此階段共采集到10個聲發射信號,其中在76. 12 s時出現一個持續時間14716μs、幅度為98 dB的聲發射信號,為環氧樹脂試樣發生斷裂信號。環氧樹脂試樣拉伸斷口電鏡顯示為脆性斷裂。從圖5d、圖5e可以看出,直接拉伸斷裂過程中聲發射信號幅度集中在30~50dB、平均頻率集中在60~160 kHz。