基于声发射检测技术的FRP复合材料损伤试验研究.pdf

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1、692化工机械2011年基于声发射检测技术的FAP复合材料损伤试验研究4李伟”王宇吴超群蒋鹏王艳茹(东北石油大学机械科学与工程学院)摘要用声发射技术研究了FRP复合材料的拉伸损伤与断裂行为，宽带传感器记录了不同纤维铺向的复合材料在拉伸破坏过程中的声发射信号。运用三维参数法，分析了FRP复合材料拉伸损伤的声发射特性，并对复合材料声发射信号的幅度进行统计分析，宏观上揭示了不同角度FRP复合材料拉伸损伤的发展、演化过程和规律。关键词FRP复合材料声发射技术三维参数分析损伤机理中图分类号TQ050．4+3文献标识码A文章编号0254-

2、6094(2011)06-0692-05纤维增强复合材料作为一种先进的工程材料，由于其具有较高的比强度和比刚度、耐高温抗腐蚀、抗疲劳性好以及可设计性强等性能已经在航空航天工业、化工、海洋工程和电子部件甚至超导工程中得到了广泛应用¨“’，但复合材料容易老化且耐冲击性能差，使用中经常出现裂纹或分层损伤，致使其结构性能下降，严重时甚至无法继续使用，造成经济损失，因此研究复合材料的结构性能意义重大。复合材料的损伤形式大致可分为纤维断裂、基体开裂、脱粘及分层等。每种损伤形式对复合材料的整体性能都有不同程度的影响，而每一种损伤在其发生、发

3、展中都有明显的声发射特征，利用声发射技术能及时发现损伤过程中的细微变化。声发射技术是一种动态的无损检测方法，可以对使用有害的活动性缺陷进行检测，并确定发生损伤的载荷、部位及其严重程度，逐渐成为复合材料承力件结构完整性无损评价的重要手段¨柚1。因此，声发射技术是研究复合材料的损伤类型、破坏机理和强度性能最为有效的方法之1试验研究1．1试样制备试验所用的材料为FRP复合材料，拉伸试件如图1所示，参考GB／T3354．1999定向纤维增强塑料拉伸性能试验和GB／T1446．1983纤维增强塑料性能试验的方法进行实验。对不同纤维平铺方

4、向的试件编号，具体尺寸见表1。E三}======匐{图1FRP拉伸试件示意图表lFRP拉伸试件尺寸mm纤维平铺方向编号￡lGbtlt2[0。]试件1—52305013012．51．5[90。]试件6—7170507025．01．51．2试验过程及参数设置拉伸试验在$ANSl00KN全数字化微机控制电子万能试验机上进行，AE试验系统框图如图2·黑龙江省自然科学基金项目(E201140)。女·李伟，男，1970年5月生，教授。黑龙江省大庆市，163318。第38卷第6期化工机械693所示。[90。]试件加载速度为0．2mm／min

5、，[0。]试件加载速度为1mm／min，需记录载荷和位移。采用PAC公司的PCI-2型数字化声发射仪，两个WD型宽频传感器，2／4／6个前置放大器，同时检测和记录了整个拉伸过程的AE信号。AE试验参数设定如下：前置放大器增益40dB，门槛值40dB，峰值鉴别时间200ils，波击鉴别时间800I-Ls，波击闭锁时间10001上s。试验中以真空润滑脂作为耦合剂。试样在AE检测之前，用铅芯断裂法(QJ2914-97)进行数据采集系统的标定。射临测系统图2AE试验系统框图2数据分析与处理2．1[900]试件结果分析由图3可知，0—5

6、0s试件处于预拉状态，随着拉伸过程的进行，力变化较小；50s开始力一时间曲线几乎为直线，材料承受载荷低，断裂速度快，这是由于[90。]复合材料的承载主体为基体，而基体为脆性材料，承载能力不大，易发生脆性断裂，断裂时断面较为平整，仅有少量的纤维抽拔现象。Z芒穴黛时间，s图3[900]试件拉伸曲线声发射累积计数是反映声发射活动性的主要指标，其变化反映了材料损伤程度的演化。图4显示了[90。]复合材料试样在损伤过程中的声发射累积计数。结合拉伸曲线图，对[90。]单层板损伤演化过程分阶段进行分析，由图4可以看出：糕：b曷§嘴啕颦图4撞

7、击累积计数一时间变化曲线a．第1阶段(0～158s)的累积计数很小，说明刚开始的声发射信号很少，由声发射三维图(图5)可以看出，该阶段振幅较小，都在60dB以下，相应的能量也较小，持续时间在500斗s左右，这主要是基体承受力的原因，材料的拉伸初期，其变形主要以复合材料中基体的弹性变形为主；b．第2阶段(159—170s)的累积计数平稳增长，说明信号开始增加，同样以低振幅为主，同时出现了少量60～70dB的中振幅事件，能量也随之上升，持续时间为0．5—1．0ms，这是由于纤维与基体弱结合部位沿纤维方向发生破坏；C．第3阶段(17

8、0s一最后)信号的振幅以中振幅为主，并掺杂着低振幅，还出现了大于90dB的声发射事件，且能量也相应的提高，持续时间在8ms以上，说明随着应力和应变的继续增加，纤维与基体弱结合部位开始发生界面的裂纹扩展，并发生界面的整体分离。界面损伤根据程度不同，具有幅度大、持续时间长、能量范