聲發(fā)射是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象,是指材料中局部能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的過(guò)程。大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)都有聲發(fā)射發(fā)生,材料不同的損傷階段其聲發(fā)射信號(hào)特征不同,通過(guò)分析聲發(fā)射信號(hào)特征可以了解材料內(nèi)部的損傷情況。對(duì)材料在受載過(guò)程中的損傷破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),聲發(fā)射技術(shù)無(wú)疑是一種有效的方法[1]。

復(fù)合材料損傷破壞過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜,復(fù)合材料自身的組織結(jié)構(gòu)、組分、材料性質(zhì)、加載形式、加工工藝、環(huán)境條件等都會(huì)誘發(fā)復(fù)合材料內(nèi)部不同的微觀損傷破壞過(guò)程。聲發(fā)射技術(shù)可以區(qū)分復(fù)合材料不同階段的斷裂特性,如基體開(kāi)裂、界面損傷和纖維斷裂等。

筆者現(xiàn)以環(huán)氧樹(shù)脂為研究對(duì)象,通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)研究其損傷過(guò)程。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1. 1　原材料

環(huán)氧樹(shù)脂:E-51,無(wú)錫樹(shù)脂廠;

端羧基聚丁二烯丙烯腈(CTBN):淄博齊龍化工有限公司;

環(huán)氧樹(shù)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(fā)射儀:DISP-4型,美國(guó)PAC公司;傳感器: R15型,諧振頻率150KHz,美國(guó)PAC公司;

電子拉力試驗(yàn)機(jī): T-10A型,深圳市瑞格爾儀器有限公司。

1. 3　實(shí)驗(yàn)方法及條件

將環(huán)氧樹(shù)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(yàn)機(jī)的加載裝置上,用橡皮帶將兩個(gè)聲發(fā)射傳感器固定在試樣一側(cè),傳感器和試樣之間用凡士林耦合,然后將傳感器與聲發(fā)射儀連接。聲發(fā)射試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖2。

　　

 

環(huán)氧樹(shù)脂試樣拉伸損傷過(guò)程的聲發(fā)射特性研究共進(jìn)行了直接拉伸斷裂、分級(jí)加載拉伸斷裂和重復(fù)加載拉伸斷裂3種方式的試驗(yàn),試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

　　

 

進(jìn)行直接拉伸斷裂試驗(yàn)時(shí)是將試樣一次拉斷;分級(jí)加載拉伸斷裂試驗(yàn)時(shí),先根據(jù)直接拉伸斷裂得到材料斷裂最大力值平均值的25%、50%、75%設(shè)置三個(gè)加載臺(tái)階進(jìn)行分級(jí)拉伸,第三個(gè)臺(tái)階結(jié)束后將試樣拉斷,每個(gè)載荷臺(tái)階下保載時(shí)間分別為2、3、2min;進(jìn)行重復(fù)加載拉伸斷裂試驗(yàn)時(shí),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(shè)置三個(gè)加載力峰值重復(fù)加載三次,第四次拉斷。
 
       2　結(jié)果與討論

2. 1　直接拉伸斷裂過(guò)程的聲發(fā)射特性

(1)數(shù)據(jù)分析

圖3、圖4、圖5分別為環(huán)氧樹(shù)脂試樣拉伸過(guò)程負(fù)荷-聲發(fā)射幅度-時(shí)間曲線、負(fù)荷-振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線和聲發(fā)射各參數(shù)時(shí)間歷程圖。

　　

 從圖3~圖5可以看出,整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)較少,試驗(yàn)中共采集聲發(fā)射信號(hào)184個(gè)。從振鈴計(jì)數(shù)曲線的斜率來(lái)看,振鈴計(jì)數(shù)曲線可以分為三部分: 0~3 s、3~76 s、76 s~斷裂,據(jù)此可以將整個(gè)拉伸斷裂過(guò)程分三個(gè)階段。

第一階段為損傷孕育階段,環(huán)氧樹(shù)脂試樣原始缺陷如氣泡等受外部載荷而產(chǎn)生損傷。

第二階段為損傷累積發(fā)展階段,聲發(fā)射起始載荷為1564 N,由原始缺陷產(chǎn)生的損傷變成了基體微裂紋,隨著拉伸的進(jìn)行微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,導(dǎo)致應(yīng)力快速釋放到相鄰區(qū)域產(chǎn)生更多的基體微裂紋。從圖3、圖4可以看出,聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量和幅度隨載荷的上升而穩(wěn)定變化。從圖5a、b、c可以看出信號(hào)幅度主要集中在30~60 dB,信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于400μs,產(chǎn)生的能量計(jì)數(shù)較弱。此階段共采集到174個(gè)聲發(fā)射信號(hào),損傷類型為樹(shù)脂微觀裂紋。

　　

 第三階段為失穩(wěn)破壞階段,隨著基體微裂紋大量的產(chǎn)生,損傷能量積累到極限發(fā)生失穩(wěn)性破壞,信號(hào)主要來(lái)源于基體損傷最嚴(yán)重部分發(fā)生斷裂,從圖5c可以看出,能量計(jì)數(shù)大幅提高。此階段共采集到10個(gè)聲發(fā)射信號(hào),其中在76. 12 s時(shí)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間14716μs、幅度為98 dB的聲發(fā)射信號(hào),為環(huán)氧樹(shù)脂試樣發(fā)生斷裂信號(hào)。環(huán)氧樹(shù)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(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)幅度集中在30~50dB、平均頻率集中在60~160 kHz。