基于聲發射檢測的能量釋放率預測多向復合材料層合板的分層機理

劉穎紅林,李 偉,蔣 鵬,郭福平,楊 暢

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院,黑龍江大慶 163318;2.廣東茂名石油化工學院,廣東茂名 525000)

0 引言

纖維增強復合材料與傳統金屬材料相比,具有更高的強度和剛度,在民用結構、航空航天、汽車工業等各領域得到了廣泛的應用[1-2]。隨著航天航空及國防工業對復合材料容器的制備需求的上漲,以及氫能產業的大力發展,復合材料壓力容器在制造過程及使用過程中出現的復雜損傷和機械性能分析問題,成為制約其普及的一大門檻[3-4]。

多向復合材料損傷機制的研究比各向同性材料和一般均質各向異性材料復雜得多,其特殊的微觀結構組成(各向異性、非均勻性、纖維/基體界面特性),導致復合材料的損傷機理涉及許多復雜力學行為[5]。其中,臨界能量釋放率(GIc)是在保證平面應變條件下得到的表征裂紋尖端應力應變場強度的力學參量臨界值,可用于預測復合材料在多種力學測試下的分層[6]。但多向復合材料層合板的臨界能量釋放率由于其復雜性,因此較難測量。利用聲發射(Acoustic Emission,AE)技術可以在整個試驗期間連續檢測不可觀測的微裂紋,并不間斷地跟蹤裂紋的萌生和演化,因此結合斷裂力學、有限元分析和理論建模,聲發射檢測也可以有效評估分層損傷[7-12]。

本文針對復合材料氣瓶的多方向纏繞損傷模式復雜的問題,制作不同界面纖維取向的玻璃/環氧復合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)層合板,進行雙懸臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)聲發射檢測試驗,期望有效提高預測分層損傷的準確度,并對多向復合材料層合板中損傷的形成機制進行深入研究,以便與聲發射檢測結合形成一套新型預測方法,解決聲發射監測的損傷識別問題。

1 試驗方法

1.1 材料制備

在復合材料層合板制作疊層時,為了將層合板整體彎曲剛度保持在可接受的范圍內,設計了4組具有[[±ν/05]AS]AS堆疊結構且層間取向為0°(Unidirectional,UD),30°,45°,60°的玻璃纖維/環氧24層層合板,如圖1所示。根據ASTM/D5528StandardTestMethodforModeIInterlaminarFractureToughnessofUnidirectionalFiber-ReinforcedPolymerMatrixComposites制作尺寸為25 mm×175 mm×4.8 mm的層合板,在第12層和第13層間插入聚四氟乙烯(PTEE)薄膜,作為預制裂紋。

圖1 GFRP層合板

1.2 測試裝置及方法

根據ASTM/D5528標準進行測試,采用SHIMADZU AG Series萬能電子試驗機(見圖2(b))進行Ⅰ型層間斷裂韌性力學試驗。試驗試樣使用加載鉸鏈固定,在恒定室溫下以1 mm/min的恒定速率施加載荷。用Trape X數據采集系統記錄層合板試樣的載荷-位移、應力-應變等曲線和力學參量。試驗過程中設置一臺高光學變焦顯微攝像(Dino-Lite digital)聚焦于層合板試樣的邊緣,用于記錄層合板損傷中裂紋的萌生與擴展,如圖2(a)所示;并在層合板試樣上表面設置了2個聲發射傳感器,如圖2(c)所示。2個傳感器的共振頻率均為125 kHz,最佳工作頻率范圍分別為100～1 000 kHz和100～900 kHz。

圖2 DCB測試裝置和AE數據采集裝置

根據復合材料層合板分層閾值的相關研究,將門檻閾值設置為35 dB。前放增益選擇為40 dB,試驗采樣頻率為1 MHz。時間參數根據聲源傳播衰減慢及激發聲源少的特點,設置峰值定義時間(PDT)低于撞擊定義時間(HDT)及撞擊閉鎖時間(HLT)。具體系統配置參數如表1所示。

表1 聲發射數據采集裝置參數設置

2 能量釋放率

理想內嵌雙懸臂梁(DCB)的靜態應變能釋放率理論表達式如下:

(1)

式中,P為加載載荷,N;δ為加載位移,mm;b為試件寬度,mm;a為試件分層長度,mm。

DCB測試試件形狀及尺寸如圖3所示。由于實際試驗時懸臂梁模型的柔度不夠準確,因此表達式(1)會高估GIc值。HASHEMI等[13-16]考慮了裂紋尖端處的復雜變形,提出了一種等效裂紋長度的理論,即修正梁理論(Modified Beam Theory,MBT)。

圖3 DCB測試試件的幾何形狀及尺寸

aeff=a+|Δ|

(2)

式中,aeff為等效裂紋長度,mm;|Δ|為裂紋長度修正值,mm。

修正梁理論將DCB視作略長的分層a+|Δ|,其中Δ可以通過試驗過程中分層長度a的柔度立方根C1/3進行擬合,如圖4所示。

圖4 修正梁理論計算方法

柔度C是加載點位移與施加載荷δ/P的比值,ASTM/D5528標準中引入參數F來說明隨裂紋長度a的增大所導致的位移效應的變化:

(3)

其中:

t=h/4+hp

(4)

式中,t為加載鉸鏈到層合板中心線的距離;h為試件的厚度;hp為加載鉸鏈厚度。

將式(2)和修正系數F代入式(1)可得:

(5)

3 結果與討論

3.1 多向GFRP層合板分層損傷的能量釋放率

根據式(5)分別得到不同界面纖維取向GFRP層合板在裂紋萌生與擴展過程中的能量釋放率,如表2、表3所示。圖5示出不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率曲線?？梢钥闯?隨著裂紋擴展,能量釋放率R曲線呈現3個階段:第1階段能量釋放率于分層起裂后呈單調遞增;第2階段在分層擴展達到一定程度后,逐漸趨于穩定;第3階段時能量釋放率呈下降趨勢。同時,隨著復合材料層合板分層裂紋的萌生和擴展,不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率呈上升趨勢和阻力型斷裂行為。裂紋擴展所導致的有效分層延伸分別為1.26±0.013,0.53±0.013,0.05±0.010,0.28±0.030 mm。加載在達到最大載荷(Pmax)后,分層裂紋擴展從緩慢穩定的延伸,轉變為分層前沿突然向前跳躍前進,甚至延伸到其他層間,導致載荷逐漸下降。最高點位移分別為6.107±0.42,5.060±1.09,5.570±0.53,7.410±0.71 mm,此時分層裂紋擴展逐漸趨于穩定,如圖5所示。此外,快速分層裂紋擴展會在層合板和斷裂形態中引入動態效應,在不同界面纖維取向GFRP層合板分層裂紋延伸至第一增量階段,即受載最高點時,會出現裂紋跳躍現象。從圖5還可以看出,第1階段不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率存在一個先上升、后下降的趨勢。

表2 不同界面纖維取向GFRP層合板的參數

表3 不同階段不同界面纖維取向GFRP層合板的參數

圖5 不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率曲線

圖6示出不同界面纖維取向GFRP層合板載荷隨位移和裂紋長度的變化曲線。由于層合板預制裂紋插入物的原因,不同界面纖維取向GFRP層合板的拉伸載荷-開口位移均在載荷上升階段呈線性關系;在達到受載最高點后,曲線呈突然下降的趨勢,即非線性關系。除UD取向層合板外,30°,45°和60°取向層合板均在受載最高點具有不同程度的曲線波動,其中30°和45°取向層合板的阻力型斷裂現象更為嚴重。該現象主要是由于內置纖維取向引發的纖維橋聯,以及在層間引發分層的裂紋所導致,因此需要從聲發射信號和顯微可視化角度進一步分析。

圖6 不同界面纖維取向GFRP層合板載荷隨位移和

3.2 多向GFRP層合板分層損傷的聲發射演化分析

不同界面纖維取向GFRP層合板的載荷、累積聲發射能量和累積計數隨時間的變化曲線,如圖7所示。載荷的每一次突變都與伴隨著分層裂紋突然擴展所導致的聲發射能量增大有關,累積聲發射能量和累積計數的變化趨勢和速率基本相同,該現象可以從圖8中看出,不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率在一定時間范圍內趨勢相似,當分層裂紋擴展至一定程度時,能量釋放率呈下降趨勢,從而導致聲發射累積能量和計數的急劇增長。

圖7 不同界面纖維取向GFRP層合板的載荷、累積AE能量和累積計數隨時間的變化曲線

從圖7、圖8中還可以看出,分層裂紋擴展與時間呈線性關系。最大載荷下,能量釋放率增加,但超過最大載荷時,能量釋放率略有下降。能量釋放率的降低與圖6中載荷的下降有關,載荷的下降伴隨著突然延伸和停止的分層裂紋擴展過程。盡管聲發射累積能量和累積計數對總體趨勢大致相同,但不同界面纖維取向GFRP層合板在分層裂紋擴展至一定程度時曲線波動的斜率有所差別。從圖7可以看出,UD取向層合板的聲發射累積能量和累積計數曲線較為平滑,只經歷了一次波動,累積聲發射能量和累積計數隨穩態分層裂紋擴展的變化而變化;30°,45°和60°取向層合板的能量釋放率、聲發射累積能量和累積計數曲線的多級階梯現象較為明顯。隨著界面間纖維取向的增加,不同損傷機制發生的次數也隨之減少,分層擴展所產生的斷裂能隨著界面纖維角度的增加而減小,如圖8中能量釋放率曲線所示。該現象可以通過不同界面纖維取向GFRP層合板的損傷機理及AE特性的演化進行分析。

圖9為UD界面纖維取向GFRP層合板的損傷機理及AE特性的演化分析,其分層界面損傷機制集中在大量單纖維被拔出(纖維基體脫粘)和基體開裂事件,分層裂紋沿預制裂紋的鋪設層緩慢擴展。隨拉伸載荷的增加,纖維-基體脫粘信號逐漸高于基體開裂信號,在纖維斷裂階段出現大量信號。

圖9 UD界面纖維取向GFRP層合板的損傷機理及

30°取向層合板的損傷機制集中在基體開裂和纖維斷裂事件,見圖10。聲發射能量和上升時間隨峰值頻率的變化明顯高于UD取向層合板,隨著拉伸載荷增加,峰值頻率在50～200 kHz基體開裂事件區間出現4 000～5 000 mv·ms的聲發射能量。從圖10顯微界面可看出,在分層裂紋擴展至59 mm處時,出現脫粘纖維束和斷裂纖維。

圖10 30°界面纖維取向GFRP層合板的損傷機理及

從圖11的顯微界面可以看出,45°取向層合板的失效形式有多種損傷機制,隨著層合板的分層擴展,纖維呈束狀開裂和脫粘。在失穩失效形式下,聲發射產生了大量分布范圍廣泛的信號,在50～200 kHz基體開裂階段出現了高達5 000～6 000 mv·ms的聲發射能量。

圖11 45°界面纖維取向GFRP層合板的損傷機理及

60°取向層合板的聲發射幅值、能量和上升時間隨峰值頻率的變化如圖12所示?？梢钥闯?聲發射能量在3 000～4 000 mv·ms區間,低于30°和45°取向層合板,高于UD取向層合板,聲發射上升時間為4種界面纖維取向中最高。從顯微界面可以看出,60°取向層合板的顯微-基體脫粘和纖維拔出損傷模式出現較多。

3.3 多向GFRP層合板能量釋放率聲發射量化表征

為了更確切地判斷分層裂紋長度的準確性,將聲發射參量引入分層起始的表達式中,對聲發射參量進行了數據擬合。發現不同界面纖維取向GFRP層合板的聲發射累積能量和累積計數與分層裂紋之間有明顯的線性關系,如圖13、圖14所示。從圖13可以看出,聲發射累積能量的線性關系在分層初始階段具有較高的斜率,這是因為預制裂紋損傷引起的基體開裂會誘發分層,而基體開裂階段具有較低的能量釋放率(見圖5)。根據裂紋尖端的顯微可視化表明,累積聲發射能量與分層裂紋擴展之間的線性關系,對于預測損傷的起始并不完全準確有效。

圖14 不同界面纖維取向GFRP層合板聲發射累積計數與

聲發射計數可以有效判斷纖維增強復合材料層合板是何時具有較大計數的聲學事件,可有效預測分層的起始,故本文選擇對聲發射累積計數進行數據擬合。從圖14可看出,聲發射累積計數具有最高R2的線性分布,不同界面纖維取向GFRP層合板的聲發射累積計數線性關系在分層起始具有有效性,隨著分層裂紋的擴展,聲發射累積計數斜率有所增加或降低。因此,可利用聲發射累積計數和累積能量對分層起始階段進行預測。

由此可以將聲發射參量表達式定義為:

aCL=kη+c

(6)

aEL=kΔAE+c

(7)

式中,aCL為經聲發射累積計數修正的分層裂紋長度,mm;k為材料特性和載荷條件相關的系數;η為聲發射累積計數;c為材料特性和載荷條件相關的系數;aEL為經聲發射累積能量修正的裂紋長度;ΔAE為聲發射累積能量。

將計算得到聲發射累積計數η和累積能量ΔAE分別與顯微可視化法(VIS)測得的分層裂紋擴展長度進行線性擬合,求得aCL與aEL。利用求得的aCL與aEL代替式(5)中的分層裂紋長度a,得到修正后的分層裂紋擴展曲線見圖15、圖16。

圖15 不同界面纖維取向GFRP層合板的aCL預測及

圖16 不同界面纖維取向GFRP層合板的aEL預測及

從圖15、圖16中可以看出,不同界面纖維取向GFRP層合板的aCL與aEL修正后分層裂紋擴展曲線與VIS分層裂紋擴展曲線整體趨勢一致。經線性修正后的aCL與aEL曲線可以更好地預測分層的起始階段。從圖中還可以看出,宏觀裂紋通常發生在微裂紋擴展之后,因此,通過聲發射參量表征微裂紋數據來預測分層起始點確切時間是非常有必要的。

用不同界面纖維取向GFRP層合板的aCL與aEL代替式(5)中的a,得到修正后能量釋放率曲線,如圖17、圖18所示。從圖17可以看出,經aCL修正后的不同界面纖維取向GFRP層合板的GICL(修正的能量釋放率)與GIc趨勢具有一致性,基于聲發射累積計數所得GICL值比GIc更早地預測到了分層裂紋的起始。從顯微可視化界面可以觀測到分層擴展裂紋會突然擴展,纖維斷裂后裂紋張開,導致目測顯微界面的裂紋尺度不夠精確。但聲發射參量是實時采集的,到達時間以μs為單位,因此修正后的GICL會與試驗所得GIc有較小的差異。

(a)UD (b)30°

(a)UD (b)30°

從圖18中可以看出,經aEL修正后所得GIEL(修正的能量釋放率)與GIc的總體趨勢具有一致性。與GICL曲線情況基本相同,局部放大的位置(683,1 462,902,2 369 s)與試驗所得GIc值具有較小偏差。

分析結果表明,聲發射參量所修正的能量釋放率與ASTM/D5528標準試驗所得能量釋放率在趨勢上基本一致,可以更好地預測分層起始的裂紋擴展值?？赏ㄟ^聲發射采集系統進行分層裂紋擴展值的計算,記錄層合板Ⅰ型測試過程中聲學事件的發生時間及聲發射信號,對信號進行篩選后,將式(6)和式(7)代入式(5)中進行計算,對分層起始進行時間預測。

4 結論

(1)能量釋放率可以有效預測分層的起始階段,不同界面纖維取向GFRP層合板的能量釋放率隨裂紋長度的變化具有阻力型斷裂趨勢。UD取向層合板的能量釋放率在任意階段具有最高能量釋放率。

(2)隨著GFRP層合板界面纖維取向的增大,聲發射累積能量和累積計數的波動增大,產生多級階梯現象,層合板分層擴展速率增大。層合板的損傷機制隨界面纖維取向的增加而減小。

(3)不同界面纖維取向GFRP層合板的聲發射累積能量和累積計數與分層裂紋之間有明顯的線性關系。利用聲發射累積計數和累積能量可對層合板分層起始階段進行預測。

(4)建立了聲發射累積能量和累積計數與分層裂紋擴展長度間的對應關系,經聲發射特征參數修正的aCL和aEL所得能量釋放率曲線與GIc整體趨勢一致,提高了預測分層起始的靈敏度。通過聲發射實際采集系統對分層擴展信號進行篩選,從而實現損傷識別的監測。