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【摘要】采用声发射技术研究了碳纤维复合材料的弯曲损伤与破坏行为。实验结果表明，碳纤维铺层在损伤与断裂不同阶段所释放的声发射信号特征不同，声学检测能有效的监测其剪切分层，混合分层，张力分层过程，声发射检测能有效判断碳纤维复合材料内部活动过程，判定损伤类型，在碳纤维复合材料结构与完整性评价中有良好的应用价值。
【关键词】复合材料 混合模式 弯曲试验 声发射
1 前言
随着碳纤维复合材料在高压容器，航空航天等领域应用的逐渐深入，复合材料损伤机理分析及整体完整性检测也在大量开展[1-3]。层合复合材料的层间结合较弱，分层敏感性成为许多先进复合材料的主要弱点[4-9]。因此，评价复合材料抵抗分层的能力问题倍受人们关注。本文研究了典型的碳/环氧复合材料的Ⅰ/ Ⅱ混合模式分层行为和层间断裂韧性，同时采用美国PAC公司的声发射设备进行全过程采集声发射信號，并对如计数，能量等参量及波形进行了分析，结合材料的力学性能讨论了复合材料损伤行为与AE信号特征的对应关系，为AE技术在复合材料损伤机理研究和安全性能评估方面提供参考。
图1？试验装置
2 试验部分
2.1 混合模式弯曲试样
试验采用浙江大学提供的碳纤维[0/90]4s复合材料，编号为5-1-1、5-1-2，试样尺寸150×20×3，试件一端切除长25mm的缺口，可以形成张开和剪切两种分层形式，同时几何中面埋入长50mm、厚0.02mm 的聚四氟乙烯薄膜，形成预制分层。
2.2 试验设备及方法
采用MTS 810型材料试验机对试样进行加载，速率为1mm/min。声发射仪为PAC的 samos-48，AE参数设置为峰值定义时间50μs，撞击定义时间200μs，撞击闭锁时间300μs，门槛值40dB。耦合剂为真空脂，将R15I型传感器缠绕固定在试样一端，试验装置如图1所示：
3 分析讨论
3.1 力学性能分析
试样在加载过程中，缺口侧预制分层逐渐张开，铺层间存在分层张力，同时由于上下铺层间弯曲变形的不协调性，层间存在剪切应力。
研究表明此碳纤维复合材料的分层扩展行为属于脆性的分层断裂，如图2所示。加载开始，随着位移的增加载荷直线增长，呈现一个很好的线性加载阶段a（0-95s）；它反映了分层层间的基体和界面中微损伤的累积，分层力为层间剪切力； 当载荷超过到层间剪切的临界值，层间发生微观错动； 有一个微弱的非线性过程b（95-160s），期间分层间纤维，粘结面不断受张开拉力，剪切力陆续断裂，此刻宏观观测到层间已发生相对错动，预制薄膜分层逐渐张开，载荷略有下降。此后发展着一个可控制的稳定的分层扩展过程c，即位移继续增加，分层平稳地张开，位移停止，分层张开随即中止，可看到分层沿着试样弯曲切线方向逐渐张开，分层为张开拉力所致。
图2？位移-载荷曲
3.2 声学特性分析
图3为试样5-1-2的时间-能量曲线图，可以看出0-95s（a阶段）为低能量持续性信号，说明此阶段层间的基体和界面中微损伤的不断积累，释放微弱信号。95-160s（b阶段）持续产生中等能量的撞击，可解释为达到层间剪切的临界值后分层界面开始错动，可观测到上下铺层沿着预制薄膜分层逐渐张开，部分短纤维束，粘结剂受剪切力，张开拉力等因素陆续断裂，释放一定能量的信号。随着试件的进一步弯曲（c阶段），分层前沿不断前移开裂，更多的短纤维被拉断，
上下铺层沿着预制薄膜处逐渐分层，张开，更多的长纤维束被拉断，258s时分层开裂至加载点，下铺层与弯曲曲线相切，这个阶段集中释放了大量高能量信号。
从两个试件的时间-计数、时间-能量关系图4中也能看出曲线存在（95s、160s）2个拐点，三个阶段与图2、3中a、b、c阶段相对应，通过拐点可判断试样的受力状态及分层内部的活动状态。
图4？时间-计数-能量曲线
复合材料混合模式分层的声发射源可简化为纤维拉伸断裂、层间剪切错动摩擦，界面脱胶三种形式。图5为试样的持续时间-能量-幅值的散点分布图，可以看出撞击信号分为两个典型的区域。Ⅰ区为小于50dB的低幅值、低能量，能量与持续时间不成比例的撞击信号，是因为层间微弱剪切错动，相互摩擦，界面脱胶所释放的声波在高频区域能量较小，幅值很低，信号单一。Ⅱ区为能量与持续时间成正比的，幅值较高且分布广泛的信号，可解释为纤维断裂所释放的高频断裂信号，信号特征较集中。
图5？持续时间--能量—幅值曲线
4 结论
（1）通过力学性能测试发现碳纤维复合材料混合模式分层阶段为剪切分层，混合分层，张力分层过程；
（2）通过对分层信号分析可有效的监测其内部活跃情况，剪切分层信号能量，幅值很低，混合分层信号幅值较大，能量与持续时间成正比，张力分层时期为典型的纤维断裂信号，信号特征教集中；
（3）声发射信号曲线与力学性能曲线有一致的对应关系和吻合，通过对撞击信号深入分析可有效的判断材料内部分层的转换拐点，内部活跃程度，分层模式，为材料性能研究提供有力的理论支持。
参考文献
[1] 贺福，孙微.碳纤维复合材料在大飞机上的应用[J].高科技纤维与应用.2007，6：5-17
[2] 林德春，等. 纤维复合材料在航空航天领域的应用[J]. 玻璃钢，2007，（1）：18-28
[3] Sato N，Kuraychi T，Kamigaito O. Fracture mechanisms of unidirectional carbon reinforced epoxy resin composite[J]. J. Mater. Sci. 1986，21（3）：1005-1010
[4] Benevolenski O I，Karger-Kocsis J，Czigdny T.Mode I fracture resistance of glass fiber matrenforced poly propylene composites at various degree of consolidation [J]. Composites Part A，2003，34（3）：267-273
[5] De Groot P J，Wijnen P A M，Janssen R B F. Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites[J]. Compos. Sci. Technol.1995，55（4）：105-412
[6] Giordano M，Calabro A，Esposito C. An acoustic emission characterization fo the failure modes in polymer composite materials [J]. compos. Sci. Technol.，1990，37（3）：411-428
[7] 许凤旌. 声发射技术在复合材料发展中的应用[D] . 上海：中国科学院上海冶金研究所，2000，2-10
[8] 皇甫劭炜，童小燕，姚磊江，等.复合材料层合板损伤的声发射试验研究[J].机械科学与技术，2009，28（5）：699-673
[9] 赵时熙，陈焕春，王波.复合材料混合模式分层断裂的实验表征[J].固体火箭技术，1998，21（2）：56-61
【关键词】复合材料 混合模式 弯曲试验 声发射
1 前言
随着碳纤维复合材料在高压容器，航空航天等领域应用的逐渐深入，复合材料损伤机理分析及整体完整性检测也在大量开展[1-3]。层合复合材料的层间结合较弱，分层敏感性成为许多先进复合材料的主要弱点[4-9]。因此，评价复合材料抵抗分层的能力问题倍受人们关注。本文研究了典型的碳/环氧复合材料的Ⅰ/ Ⅱ混合模式分层行为和层间断裂韧性，同时采用美国PAC公司的声发射设备进行全过程采集声发射信號，并对如计数，能量等参量及波形进行了分析，结合材料的力学性能讨论了复合材料损伤行为与AE信号特征的对应关系，为AE技术在复合材料损伤机理研究和安全性能评估方面提供参考。
图1？试验装置
2 试验部分
2.1 混合模式弯曲试样
试验采用浙江大学提供的碳纤维[0/90]4s复合材料，编号为5-1-1、5-1-2，试样尺寸150×20×3，试件一端切除长25mm的缺口，可以形成张开和剪切两种分层形式，同时几何中面埋入长50mm、厚0.02mm 的聚四氟乙烯薄膜，形成预制分层。
2.2 试验设备及方法
采用MTS 810型材料试验机对试样进行加载，速率为1mm/min。声发射仪为PAC的 samos-48，AE参数设置为峰值定义时间50μs，撞击定义时间200μs，撞击闭锁时间300μs，门槛值40dB。耦合剂为真空脂，将R15I型传感器缠绕固定在试样一端，试验装置如图1所示：
3 分析讨论
3.1 力学性能分析
试样在加载过程中，缺口侧预制分层逐渐张开，铺层间存在分层张力，同时由于上下铺层间弯曲变形的不协调性，层间存在剪切应力。
研究表明此碳纤维复合材料的分层扩展行为属于脆性的分层断裂，如图2所示。加载开始，随着位移的增加载荷直线增长，呈现一个很好的线性加载阶段a（0-95s）；它反映了分层层间的基体和界面中微损伤的累积，分层力为层间剪切力； 当载荷超过到层间剪切的临界值，层间发生微观错动； 有一个微弱的非线性过程b（95-160s），期间分层间纤维，粘结面不断受张开拉力，剪切力陆续断裂，此刻宏观观测到层间已发生相对错动，预制薄膜分层逐渐张开，载荷略有下降。此后发展着一个可控制的稳定的分层扩展过程c，即位移继续增加，分层平稳地张开，位移停止，分层张开随即中止，可看到分层沿着试样弯曲切线方向逐渐张开，分层为张开拉力所致。
图2？位移-载荷曲
3.2 声学特性分析
图3为试样5-1-2的时间-能量曲线图，可以看出0-95s（a阶段）为低能量持续性信号，说明此阶段层间的基体和界面中微损伤的不断积累，释放微弱信号。95-160s（b阶段）持续产生中等能量的撞击，可解释为达到层间剪切的临界值后分层界面开始错动，可观测到上下铺层沿着预制薄膜分层逐渐张开，部分短纤维束，粘结剂受剪切力，张开拉力等因素陆续断裂，释放一定能量的信号。随着试件的进一步弯曲（c阶段），分层前沿不断前移开裂，更多的短纤维被拉断，
上下铺层沿着预制薄膜处逐渐分层，张开，更多的长纤维束被拉断，258s时分层开裂至加载点，下铺层与弯曲曲线相切，这个阶段集中释放了大量高能量信号。
从两个试件的时间-计数、时间-能量关系图4中也能看出曲线存在（95s、160s）2个拐点，三个阶段与图2、3中a、b、c阶段相对应，通过拐点可判断试样的受力状态及分层内部的活动状态。
图4？时间-计数-能量曲线
复合材料混合模式分层的声发射源可简化为纤维拉伸断裂、层间剪切错动摩擦，界面脱胶三种形式。图5为试样的持续时间-能量-幅值的散点分布图，可以看出撞击信号分为两个典型的区域。Ⅰ区为小于50dB的低幅值、低能量，能量与持续时间不成比例的撞击信号，是因为层间微弱剪切错动，相互摩擦，界面脱胶所释放的声波在高频区域能量较小，幅值很低，信号单一。Ⅱ区为能量与持续时间成正比的，幅值较高且分布广泛的信号，可解释为纤维断裂所释放的高频断裂信号，信号特征较集中。
图5？持续时间--能量—幅值曲线
4 结论
（1）通过力学性能测试发现碳纤维复合材料混合模式分层阶段为剪切分层，混合分层，张力分层过程；
（2）通过对分层信号分析可有效的监测其内部活跃情况，剪切分层信号能量，幅值很低，混合分层信号幅值较大，能量与持续时间成正比，张力分层时期为典型的纤维断裂信号，信号特征教集中；
（3）声发射信号曲线与力学性能曲线有一致的对应关系和吻合，通过对撞击信号深入分析可有效的判断材料内部分层的转换拐点，内部活跃程度，分层模式，为材料性能研究提供有力的理论支持。
参考文献
[1] 贺福，孙微.碳纤维复合材料在大飞机上的应用[J].高科技纤维与应用.2007，6：5-17
[2] 林德春，等. 纤维复合材料在航空航天领域的应用[J]. 玻璃钢，2007，（1）：18-28
[3] Sato N，Kuraychi T，Kamigaito O. Fracture mechanisms of unidirectional carbon reinforced epoxy resin composite[J]. J. Mater. Sci. 1986，21（3）：1005-1010
[4] Benevolenski O I，Karger-Kocsis J，Czigdny T.Mode I fracture resistance of glass fiber matrenforced poly propylene composites at various degree of consolidation [J]. Composites Part A，2003，34（3）：267-273
[5] De Groot P J，Wijnen P A M，Janssen R B F. Real-time frequency determination of acoustic emission for different fracture mechanisms in carbon/epoxy composites[J]. Compos. Sci. Technol.1995，55（4）：105-412
[6] Giordano M，Calabro A，Esposito C. An acoustic emission characterization fo the failure modes in polymer composite materials [J]. compos. Sci. Technol.，1990，37（3）：411-428
[7] 许凤旌. 声发射技术在复合材料发展中的应用[D] . 上海：中国科学院上海冶金研究所，2000，2-10
[8] 皇甫劭炜，童小燕，姚磊江，等.复合材料层合板损伤的声发射试验研究[J].机械科学与技术，2009，28（5）：699-673
[9] 赵时熙，陈焕春，王波.复合材料混合模式分层断裂的实验表征[J].固体火箭技术，1998，21（2）：56-61