碳纖維編織復(fù)合材料損傷變形與破壞實(shí)驗(yàn)

安冰潔

（天津工大航泰復(fù)合材料有限公司，天津 300387）

碳纖維編織復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，但在實(shí)際使用過(guò)程種由于多種原因，會(huì)導(dǎo)致材料性能的下降。通過(guò)碳纖維編織復(fù)合材料損傷與破壞試驗(yàn)，可以了解碳纖維復(fù)合材料特性及破壞臨界點(diǎn)，對(duì)材料的安全運(yùn)用具有重要意義。[1-3]

1 碳纖維編織復(fù)合材料檢測(cè)概述

1.1 無(wú)損檢測(cè)

就目前的碳纖維復(fù)合編織材料檢測(cè)工作來(lái)看，碳纖維編織復(fù)合材料的主要檢測(cè)方式為聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)（AE）與數(shù)字圖像（DIC）檢測(cè)技術(shù)。利用上述兩種檢測(cè)方式，能夠獲得碳纖維編織復(fù)合材料的損傷變形與破壞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。碳纖維編織復(fù)合材料作為一種全新材料，其使用性能有待發(fā)掘，影響碳纖維編織復(fù)合材料損傷變形因素多樣，找到碳纖維編織復(fù)合材料的損傷變形與破壞臨界點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行控制，可以為碳纖維編織材料的實(shí)際應(yīng)用提供安全數(shù)據(jù)。[4]

1.2 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)（AE）

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要對(duì)原材料的瞬間彈射波所產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行記錄。在聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，可以使用 CMOS 相機(jī)( MER-500-7UM-L，分辨率為 2 592 pixel×1 944 pixel)，它對(duì)于獲取試件損傷的聲發(fā)射信號(hào)與各加載階段的散斑圖像具有良好效果。實(shí)驗(yàn)采用RS-2A、AE傳感器(該設(shè)備的頻率為 100～450 kHz，中心頻率為150 kHz)，設(shè)備之間的傳感器距離為 60 mm，傳感器與試件之間通過(guò)接觸面轉(zhuǎn)換器連接，對(duì)碳纖維編織復(fù)合材料進(jìn)行探測(cè)與記錄，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這是一種全新的檢測(cè)方式，也是一種無(wú)損的檢測(cè)技術(shù)。利用聲發(fā)射技術(shù)，在不損壞原材料情況下，對(duì)碳纖維編織復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性評(píng)估。對(duì)原材料進(jìn)行全面檢測(cè)，精準(zhǔn)找到原材料較為敏感與薄弱點(diǎn)，并根據(jù)原材料不同的損傷程度，找到碳纖維編織復(fù)合材料損傷變形與破壞臨界點(diǎn)，充分了解被檢測(cè)材料特征。

2 碳纖維編織復(fù)合材料損傷破壞研究

在碳纖維編織復(fù)合原材料的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要合理應(yīng)用AE實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)碳纖維編織材料的延展性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)的信號(hào)以及位移進(jìn)行記錄，并利用掃描電鏡技術(shù)，對(duì)破壞機(jī)制進(jìn)行研究，進(jìn)行數(shù)值模擬工作，將得到的數(shù)值加以對(duì)比，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

在碳纖維編織復(fù)合材料的損傷變形與破壞實(shí)驗(yàn)工作前，要做好準(zhǔn)備工作。首先，要將6 層編織布鋪成 300 mm×300 mm 的材料板，使用環(huán)氧樹脂將材料板進(jìn)行真空灌注，并將原材料放置48 h后，再放到干燥箱中保持100℃持續(xù)10 h直到固化完成，將實(shí)驗(yàn)件切割成試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，應(yīng)用加強(qiáng)片，對(duì)試樣進(jìn)行固定。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)程序

本次實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的設(shè)備為萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)。將準(zhǔn)備好的試樣，放置在拉伸機(jī)上，分別應(yīng)用AE與DIC，對(duì)實(shí)驗(yàn)的聲發(fā)射與數(shù)字圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)拉伸過(guò)程中，拉伸速度應(yīng)該控制在合理范圍內(nèi)，拉伸速度為0.5 mm/min。同時(shí)，在試件拉伸過(guò)程中，應(yīng)用全波形發(fā)射儀與相機(jī)獲取碳纖維編織復(fù)合材料的損傷變形聲發(fā)射信號(hào)與散斑圖像。此外，在實(shí)驗(yàn)中，還要將聲發(fā)射信號(hào)的采集門檻數(shù)據(jù)設(shè)置為10 mV(40 dB)。還要將實(shí)驗(yàn)設(shè)備的冷光源與試件照射區(qū)相結(jié)合，并在實(shí)驗(yàn)間隔期，對(duì)實(shí)驗(yàn)散斑圖進(jìn)行采集。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 碳纖維編織復(fù)合材料AE實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行聲發(fā)射數(shù)據(jù)收集，找到碳纖維編織復(fù)合材料的最大荷載區(qū)間，根據(jù)不同的試件進(jìn)行分析。我們發(fā)現(xiàn)，碳纖維編織復(fù)合材料平均荷載能力為19.48 kN，偏差值為1.37 kN，曲線圖見圖1。

圖1 復(fù)合材料試件拉伸載荷和AE相對(duì)能量時(shí)間曲線

圖1直觀呈現(xiàn)了碳纖維編織復(fù)合材料試件的曲線圖，在前80 s內(nèi)，整個(gè)曲線的上升是比較緩慢的。實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不斷加長(zhǎng)，碳纖維編織復(fù)合材料達(dá)到最大的荷載能力，呈現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。對(duì)斷裂口進(jìn)行觀察，我們發(fā)現(xiàn)，斷裂口較為整齊。在前100 s內(nèi)，碳纖維編織復(fù)合材料的變化并不明顯，隨著時(shí)間的增加，碳纖維編織復(fù)合材料的表面出現(xiàn)損傷變形。逐漸加大拉伸力度，根據(jù)AE聲發(fā)射數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)能量達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，碳纖維編織復(fù)合材料最終呈現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，碳纖維編織復(fù)合材料出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中，聲發(fā)射信號(hào)與具體參數(shù)能夠充分描繪試件損傷程度與破壞程度，確定最終臨界點(diǎn)。隨著拉抻時(shí)間與力度的變化，根據(jù)數(shù)據(jù)得出復(fù)合材料試件持續(xù)時(shí)間幅度和時(shí)間三維圖，見圖2。

圖2 復(fù)合材料試件持續(xù)時(shí)間幅度和時(shí)間三維圖

從圖2可以看到，AE信號(hào)的持續(xù)時(shí)間比較大，其中的高幅度信號(hào)范圍主要在500～20 000 μs。就信號(hào)的持續(xù)時(shí)間來(lái)看，隨著時(shí)間的變化，出現(xiàn)兩個(gè)較為明顯的峰值，其中，一個(gè)峰值出現(xiàn)在損傷階段，另一個(gè)峰值則是在碳纖維編制復(fù)合材料破壞末期。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始后，聲發(fā)射的信號(hào)出現(xiàn)幅度較低，所能維持的時(shí)間比較短，造成此種現(xiàn)象的因素可能是實(shí)驗(yàn)試件與拉伸機(jī)夾具之間的摩擦。

3.3.2 碳纖維編織復(fù)合材料DIC實(shí)驗(yàn)分析

在拉伸實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用DIC圖像技術(shù)，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)試件散斑圖像進(jìn)行收集，可以每隔1kN收集一次，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)位移與應(yīng)變場(chǎng)信息，對(duì)損傷的程度進(jìn)行評(píng)估。在實(shí)驗(yàn)中，散斑圖像計(jì)算區(qū)域值應(yīng)為345 pixel×380 pixel，將步長(zhǎng)設(shè)定為10 pixel，散斑圖像中的1 mm對(duì)應(yīng)22.7個(gè)像素點(diǎn)。同時(shí)，要根據(jù)復(fù)合材料的拉伸變化圖進(jìn)行分析，見圖3所示。

圖3 復(fù)合材料的拉伸變化圖

此外，還要對(duì)復(fù)合材料試件水平位移場(chǎng)和拉伸方向位移場(chǎng)圖示進(jìn)行分析，見圖4。

圖4 復(fù)合材料試件水平位移場(chǎng)和拉伸方向位移場(chǎng)

從散斑收集圖像可知，在不同的拉伸程度上，實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變場(chǎng)較為分散，不同的塊狀分散在應(yīng)變場(chǎng)的變化如圖3所示，這也證明與碳纖維編織復(fù)合材料中的正交纖維具有重要關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，位移場(chǎng)變化比較穩(wěn)定，隨著拉伸方向的變化，位移場(chǎng)也呈現(xiàn)梯度變化，整個(gè)圖像出現(xiàn)傾斜問(wèn)題，造成此種現(xiàn)象的因素，不僅與荷載能力有關(guān)，還與拉伸方向具有重要聯(lián)系。通過(guò)圖示能夠清晰呈現(xiàn)位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)，這也能充分反映碳纖維編織復(fù)合材料的損傷與變形特征。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，碳纖維編織復(fù)合材料的損傷具體可分為2個(gè)不同階段，損傷累積與破壞階段。就損傷累積來(lái)說(shuō)，較低幅度、低持續(xù)的時(shí)間多以聲發(fā)射信號(hào)為主。在破壞實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)諸多損傷，這些問(wèn)題是同時(shí)出現(xiàn)的。

4 結(jié)語(yǔ)

在碳纖維編織復(fù)合材料的損傷變形與破壞實(shí)驗(yàn)中，較為常見的檢測(cè)方式為AE與DIC，只有充分利用兩種實(shí)驗(yàn)，開展相關(guān)工作，才能更好地發(fā)現(xiàn)碳纖維編織復(fù)合材料發(fā)生損傷變形與破壞的界限，進(jìn)而控制碳纖維編織復(fù)合材料的應(yīng)用，延長(zhǎng)其使用期限。