基于声发射技术的2.5维机织复合材料损伤机理研究

基于声发射技术的2.5维机织复合材料损伤机理研究（共2篇）

基于声发射技术的2.5维机织复合材料损伤机理研究 篇1

基于声发射技术的2.5维机织复合材料损伤机理研究

利用声发射技术对2.5维浅交弯联机织复合材料在整个拉伸过程的`各种损伤发展、演化进行了试验研究.结果表明:2.5维机织复合材料拉伸损伤演化可分为损伤初始、损伤严重和快速断裂3个阶段.

作 者：董伟锋 朱建勋 张建钟 肖军  作者单位：董伟锋,朱建勋,张建钟(南京玻璃纤维研究设计院)

肖军(南京航空航天大学材料科学与技术学院)

刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：声发射   机织复合材料   损伤演化  

基于声发射技术的2.5维机织复合材料损伤机理研究 篇2

随着碳纤维复合材料在高压容器、航空等领域的广泛应用[1,3],复合材料完整性检测技术及损伤(断裂,错层,张开)分析技术在不断完善。材料出现局部损伤时,局部能量会快速释放,同时产生声发射(Acoustic Emission,AE)现象,并且声发射对损伤的起始及扩展过程极为敏感[4,5,6]。声发射技术并非局限于无损探伤或缺陷检测,还可用于材料性能、强度以及服务年限的综合评估。[7,8,9]

本文通过静拉伸及弯曲张开试验对碳纤维复合材料进行损伤分析,运用声发射仪器全过程采集声发射信号,全面统计对信号数量,据此分析其参量及波形特征,最后根据材料力学特性论证复合材料损伤行为与AE信号特征之间的对应关系,以此研究复合材料损伤机理,并综合评估其安全性能。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

针对碳纤维[0/90]4s复合材料进行拉伸试验,试样尺寸250×25×1.8,混合模式试样(张开/剪切)尺寸设计为150×20×3。先从样品一端切一长约25mm的切口,做成张开/剪切分层样式,再将聚四氟乙烯薄膜埋设在几何中面做成预制分层(该薄膜材料厚度约为0.02mm,长50mm)。

1.2 试验设备及方法

借助MTS 810型试验机在试件上逐级加载。声发射仪为PAC的samos-48,AE参数设置为峰值定义时间为50μs,撞击定义时间为200μs,撞击闭锁时间为300μs,门槛值为40d B。采用真空脂耦合剂把R15I型传感器与试件在一起做成图1和图2所示试验装置。

2 分析讨论

2.1 力学性能分析

图3为拉伸试样的应力-应变曲线。根据该曲线进行如下分析:在B-M段(即初始拉伸阶段),材料应变线性越大,应力越大。材料在这一阶段产生弹性变形现象,较强的整体抗变形能力使之始终维持着比较稳定的内部状态。进一步加载后,从M-Y段可以看出,材料应变能力不断增强,使得界面脱粘,导致分层及基体的剪切破坏,应力状态呈非线性增加。制造时残留的间隙等缺陷产生应力集中现象,当该现象发展到一定阶段后就会造成局部损伤。这一阶段通常会出现纤维束断裂、层间脱落或纵向劈裂现象,因而习惯性将这一过程定义为损伤发展或累积阶段。

根据图4所示混合模式位移-载荷曲线变化过程得到表1所示分析结果。

2.2 声学特性分析

2.2.1 拉伸试样的声学分析

根据图5进行如下分析:检测试件在拉伸开始后280秒内,信号幅值衰减,随着计数的缓慢增加,在280秒时出现拐点,此时测得内应力为392MPa,较接近M2点转变载荷(M2点转变载荷为410MPa)。这表明拉伸开始后280秒内属于B-M2的弹性变化阶段。在280秒后,随着时间的延长,计数持续上升并释放大量声发射信号(大部分信号幅值在90d B以上),这是由于在发生弹性变化阶段,部分脆弱的0°纤维束逐渐断裂,伴随断裂过程释放出大量高幅值信号,层间位移进一步演进,同时脱粘也释放出声发射信号,信号幅值也比较高,发展到最后的200秒,随着内部损伤的持续增加集中释放出高幅值信号,局部纤维集中断裂直至材料彻底断裂,可见AE信号可以准确客观地反映出材料内部损伤的过程。

图6为典型的碳纤维束断裂产生的声发射信号波形,频谱图,可以看出波形信号饱满,能量瞬间集中释放,波幅大而持续时间短暂。其中心频率一般集中在170Hz~220Hz高频范围内。

2.2.2 混合模式试样的声学分析

图7为混合模式试样的时间-能量曲线。该曲线的a阶段,即0~95s之间,为持续性低能量信号,说明这一阶段层间的基体与界面中微损伤都在持续累加,同时散射出微弱信号;曲线的b阶段,即95~160s之间,不断出现等能量撞击现象,说明该试样在达到层间剪切的临界值后,其分层界面开始错动,从该段曲线的弯曲情况可以看出上下铺层顺着预制薄膜分层不断张开,部分短纤维束在剪切力的作用下,粘结力不断缩小,张开拉力开始断裂,并散射出能量信号;在曲线的c段,试件逐渐弯曲,分层前沿也陆续前移断裂,断裂的短纤维越来越多,上下铺层沿着预制薄膜处逐渐张开,并出现明显的分层,在剪切力的作用下,断裂的长纤维明显增多。在258s时,分层开裂到加载点,使得下铺层与弯曲曲线相切,并散射出强大的能量信号。

从两个试件的时间-计数、时间-能量关系图8中也能看出曲线存在(95s、160s)2个拐点,三个阶段与图4、图7中a、b、c阶段相对应,基于这些拐点能够分析试件的受力情况及其分层内部的变化情况。

复合材料混合模式分层的声发射源可以简化为三个形式,即界面脱胶、纤维拉伸断裂和层间剪切错动摩擦。通过图9能看出撞击信号的分布情况(主要分布在Ⅰ区和Ⅱ区两个区域)。分布在Ⅰ区的撞击信号,层间微弱剪切错动,信号互相摩擦,使得高频区域中界面脱胶散射的声波能量小减小,信号单一,因此能量幅值较低(50d B以下),且能量和持续时间之间不存在比例关系。与之相反,分布在Ⅱ区的撞击信号分布集中,传播范围较广,幅值较高,且能量与持续时间构成了正比例关系。

3 结论

①材料在拉伸、弯曲过程中产生损伤、断裂现象,伴随应力-应变过程释放出大量具有可测性的声发射信号。

②根据发射信号参数能够确定损伤发展的拐点,由此得知材料力学性能已彻底改变,并对材料损伤发展极限进行准确预测。

③通过信号可准确把握其内部状态,纤维断裂信号波幅大而持续时间短,其中心频率一般集中在170Hz-220Hz高频范围内。剪切分层信号能量,幅值很低,混合分层信号幅值较大,能量与持续时间成正比,张力分层时期为典型的纤维断裂信号,信号特征集中。

参考文献

[1]贺福,孙微.碳纤维复合材料在大飞机上的应用[J].高科技纤维与应用,2007(6):5-17.

[2]林德春,等.纤维复合材料在航空航天领域的应用[J].玻璃钢,2007(1):18-28.

[3]Sato N,Kuraychi T,Kamigaito O.Fracture mechanisms of unidirectional carbon reinforced epoxy resin composite[J].J.Mater.Sci.1986,21(3):1005-1010.

[4]Benevolenski O I,Karger-Kocsis J,Czigdny T.Mode I fracture resistance of glass fiber mat-renforced poly propylene composites at various degree of consolidation[J].Composites Part A,2003,34(3):267-273.

[5]De Groot P J,Wijnen P A M,Janssen R B F.Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites[J].Compos.Sci.Technol.1995,55(4):105-412

[6]Giordano M,Calabro A,Esposito C.An acoustic emission characterization fo the failure modes in polymer composite materials[J].compos.Sci.Technol.,1990,37(3):411-428.

[7]许凤旌,陈积懋.声发射技术在复合材料发展中的应用[D].中国科学院上海冶金研究所;材料物理与化学(专业)博士论文,2000.

[8]皇莆,等.复合材料层合板损伤的声发射试验研究[J].机械科学与技术,2009,28(5):699-673.