聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象,是指材料中局部能量快速釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的過程。大多數(shù)材料變形和斷裂時都有聲發(fā)射發(fā)生,材料不同的損傷階段其聲發(fā)射信號特征不同,通過分析聲發(fā)射信號特征可以了解材料內(nèi)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(fā)射技術(shù)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(jié)構(gòu)、組分、材料性質(zhì)、加載形式、加工工藝、環(huán)境條件等都會誘發(fā)復合材料內(nèi)部不同的微觀損傷破壞過程。聲發(fā)射技術(shù)可以區(qū)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(xiàn)以環(huán)氧樹脂為研究對象,通過聲發(fā)射技術(shù)研究其損傷過程。

1　實驗部分

1. 1　原材料

環(huán)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(huán)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(fā)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(huán)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(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)射試驗示意圖見圖2。

　　

 

環(huán)氧樹脂試樣拉伸損傷過程的聲發(fā)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(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)置三個加載臺階進行分級拉伸,第三個臺階結(jié)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(shè)置三個加載力峰值重復加載三次,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)氧樹脂試樣拉伸過程負荷-聲發(fā)射幅度-時間曲線、負荷-振鈴計數(shù)-時間曲線和聲發(fā)射各參數(shù)時間歷程圖。

　　

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

第一階段為損傷孕育階段,環(huán)氧樹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,隨著拉伸的進行微裂紋進一步擴展,導致應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可以看出信號幅度主要集中在30~60 dB,信號持續(xù)時間小于400μs,產(chǎn)生的能量計數(shù)較弱。此階段共采集到174個聲發(fā)射信號,損傷類型為樹脂微觀裂紋。

　　

 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,信號主要來源于基體損傷最嚴重部分發(fā)生斷裂,從圖5c可以看出,能量計數(shù)大幅提高。此階段共采集到10個聲發(fā)射信號,其中在76. 12 s時出現(xiàn)一個持續(xù)時間14716μs、幅度為98 dB的聲發(fā)射信號,為環(huán)氧樹脂試樣發(fā)生斷裂信號。環(huán)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(fā)射信號幅度集中在30~50dB、平均頻率集中在60~160 kHz。