环氧树脂拉伸损伤过程的声发射特性研究

       声发射是一种常见的物理现象,是指材料中局部能量快速释放产生瞬态弹性波的过程。大多数材料变形和断裂时都有声发射发生,材料不同的损伤阶段其声发射信号特征不同,通过分析声发射信号特征可以了解材料内部的损伤情况。对材料在受载过程中的损伤破坏进行实时检测,声发射技术无疑是一种有效的方法[1]。

复合材料损伤破坏过程相当复杂,复合材料自身的组织结构、组分、材料性质、加载形式、加工工艺、环境条件等都会诱发复合材料内部不同的微观损伤破坏过程。声发射技术可以区分复合材料不同阶段的断裂特性,如基体开裂、界面损伤和纤维断裂等。

笔者现以环氧树脂为研究对象,通过声发射技术研究其损伤过程。

1　实验部分

1. 1　原材料

环氧树脂:E-51,无锡树脂厂;

端羧基聚丁二烯丙烯腈(CTBN):淄博齐龙化工有限公司;

环氧树脂活性增韧剂(CMP):温州清明化工有限公司;

丁腈:兰州石化公司。

1. 2　主要仪器

多通道声发射仪:DISP-4型,美国PAC公司;传感器: R15型,谐振频率150KHz,美国PAC公司;

电子拉力试验机: T-10A型,深圳市瑞格尔仪器有限公司。

1. 3　实验方法及条件

将环氧树脂浇注成型板按GB/T2567-2008要求水切割加工成图1所示试样。将试样安装到电子拉力试验机的加载装置上,用橡皮带将两个声发射传感器固定在试样一侧,传感器和试样之间用凡士林耦合,然后将传感器与声发射仪连接。声发射试验示意图见图2。

　　

 

环氧树脂试样拉伸损伤过程的声发射特性研究共进行了直接拉伸断裂、分级加载拉伸断裂和重复加载拉伸断裂3种方式的试验,试验条件见表1。

　　

 

进行直接拉伸断裂试验时是将试样一次拉断;分级加载拉伸断裂试验时,先根据直接拉伸断裂得到材料断裂最大力值平均值的25%、50%、75%设置三个加载台阶进行分级拉伸,第三个台阶结束后将试样拉断,每个载荷台阶下保载时间分别为2、3、2min;进行重复加载拉伸断裂试验时,先按照直接拉伸断裂得到的材料断裂力值最大力值平均值的25%、50%、75%设置三个加载力峰值重复加载三次,第四次拉断。
 
       2　结果与讨论

2. 1　直接拉伸断裂过程的声发射特性

(1)数据分析

图3、图4、图5分别为环氧树脂试样拉伸过程负荷-声发射幅度-时间曲线、负荷-振铃计数-时间曲线和声发射各参数时间历程图。

　　

 从图3~图5可以看出,整个过程产生声发射信号较少,试验中共采集声发射信号184个。从振铃计数曲线的斜率来看,振铃计数曲线可以分为三部分: 0~3 s、3~76 s、76 s~断裂,据此可以将整个拉伸断裂过程分三个阶段。

第一阶段为损伤孕育阶段,环氧树脂试样原始缺陷如气泡等受外部载荷而产生损伤。

第二阶段为损伤累积发展阶段,声发射起始载荷为1564 N,由原始缺陷产生的损伤变成了基体微裂纹,随着拉伸的进行微裂纹进一步扩展,导致应力快速释放到相邻区域产生更多的基体微裂纹。从图3、图4可以看出,声发射信号数量和幅度随载荷的上升而稳定变化。从图5a、b、c可以看出信号幅度主要集中在30~60 dB,信号持续时间小于400μs,产生的能量计数较弱。此阶段共采集到174个声发射信号,损伤类型为树脂微观裂纹。

　　

 第三阶段为失稳破坏阶段,随着基体微裂纹大量的产生,损伤能量积累到极限发生失稳性破坏,信号主要来源于基体损伤最严重部分发生断裂,从图5c可以看出,能量计数大幅提高。此阶段共采集到10个声发射信号,其中在76. 12 s时出现一个持续时间14716μs、幅度为98 dB的声发射信号,为环氧树脂试样发生断裂信号。环氧树脂试样拉伸断口电镜显示为脆性断裂。从图5d、图5e可以看出,直接拉伸断裂过程中声发射信号幅度集中在30~50dB、平均频率集中在60~160 kHz。