基于聲發射技術的芳綸1414/聚丙烯拉伸損傷性能研究

戚琳琳 崔建偉 李 懿 晏 雄

(1.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620; 2.南通大學紡織服裝學院，南通，226007)

基于聲發射技術的芳綸1414/聚丙烯拉伸損傷性能研究

戚琳琳1崔建偉2李 懿1晏 雄1

(1.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海，201620; 2.南通大學紡織服裝學院，南通，226007)

通過拉伸試驗和聲發射試驗，研究芳綸1414(PPTA)/聚丙烯(PP)復合材料拉伸破壞的聲發射特性;通過分析增強纖維和基體在拉伸破壞過程中的聲發射參數特征，得出基體斷裂和纖維斷裂的聲發射特性。

拉伸破壞，聲發射技術，參數分析，PPTA/PP復合材料

自20世紀80年代以來，以通用工程塑料如PP為基體樹脂的熱塑性樹脂基復合材料越來越受到人們的關注，并成為復合材料領域異?；钴S的研究開發熱點［1-2］。但復合材料在制造和使用過程中容易產生不可目視的內部損傷，嚴重影響結構使用的安全可靠性，所以對其破壞過程和損傷機理的研究是復合材料及其結構研制、設計與質量檢驗的重大課題［3］。

近年來，聲發射檢測作為無損檢測的一種重要方法，在復合材料力學性能檢測和復合材料破壞機理研究中起到的作用被越來越多的科學工作者所重視。復合材料具有復雜的損傷形式，大致可分為纖維斷裂、基體開裂、脫黏、分層等幾種主要形式［4-6］，而每種損傷形式對復合材料的綜合力學性能的影響程度又存在差別，因此對復合材料的研究必須對這些損傷形式進行研究。每一種損傷在拉伸損傷及演變過程中的聲發射特性不同，聲發射技術作為一種動態分析方法，對于分析損傷過程非常有效，是研究復合材料拉伸破壞、發展演變及力學性能最有效的方法之一。

芳綸1414(PPTA)/聚丙烯(PP)增強復合材料有機結合了增強纖維與基體樹脂的綜合性能，具有比強度高、比模量高等優良性能［7］。外界載荷通過基體與增強纖維界面的剪切作用傳遞給纖維，纖維承擔主要載荷，使復合材料整體呈現出高強度、高模量等特征，廣泛應用于航空航天、軍事、汽車、機械、電子電氣、石化等領域，尤其在航空航天等結構材料領域中越來越顯示出重要作用［8］。為此，對其力學性能和破壞機理的研究顯得尤為必要。

本文經過一系列試驗，分析了PPTA纖維束和PP基體在拉伸損傷過程中表現出來的聲發射參數特性，對后續研究單層板及層合板的聲發射特性和拉伸破壞機理提供了參考依據。

1 試驗階段

1.1 試驗材料及儀器

PP 薄膜厚 0.05 mm，密度0.93 g/cm3，熔體流動溫度165℃;PPTA纖維束1670D/1000F，平均直徑 0.38 mm，密度 1.44 g/cm3，強力(22.5 ±2.5)g/D，伸長率(3.6 ±0.5)%，模量 500 g/D，上海相潤貿易有限公司。平板硫化機，上海輕工機械股份有限公司;華龍WDW-20型萬能材料試驗機，上海華龍測試儀器廠;PCI-2 BASED AE SYSTEM，Physical Acoustics公司。

1.2 試驗原理

為了使傳感器與試驗材料耦合良好，不受外界環境影響，所用的耦合劑為真空潤滑脂，在測試前均勻地涂在傳感器的測試表面。圖1為聲發射測試系統，本試驗采用R15型諧振式傳感器，用松緊帶將其固定在試樣表面，盡量放在試樣的中間位置，沿試樣長度方向進行拉伸。

圖1 聲發射測試系統框架圖［9］

1.3 試樣尺寸

依據GB/T 3354—1999《定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》及GB/T 1446—1983《纖維增強塑料性能試驗方法》來確定試樣，基體材料長度為120 mm，寬度為20 mm，厚度為0.8 mm，纖維束長度為120 mm。

2 結果與討論

2.1 PP 基體

拉伸速度為2 mm/min，隔距為60 mm，聲發射參數為區域定位。前放40 dB，門檻42 dB，PDT(信號峰值定義時間)50 μs，HDT(撞擊定義時間)100 μs，HLT(撞擊閉鎖時間)300 μs。

在拉伸過程中，PP基體的負荷—時間和應力—應變曲線分別如圖2和圖3所示。由圖3可知，PP的應變不大，這是因為PP是剛性熱塑性材料，且低溫脆性大，試樣在預定拉伸速度下測得的拉伸強度為 21.16 MPa，拉伸模量為 9.27 MPa，斷裂應變為27.22%。拉伸曲線初始階段由高度線性到稍微緩和，初始模量很大，當應變為8%左右時材料開始屈服，強度稍微下降。應變在不斷增加的過程中，應力波動較小，試樣出現微裂紋，這與材料的分子鏈取向及再結晶有關，同時與材料的等規度以及在熱壓過程中引起的球晶尺寸增大和密堆有關，與PP本身的區域缺陷和立構缺陷也有一定的關系。當達到材料的臨界應變時，試樣產生破壞性斷裂。由圖2，可將材料的拉伸演化分為三個階段。第一階段(0～150 s)為基本線性階段，第二階段(150～430 s)為塑性變形階段，第三階段430 s至斷裂。整個拉伸過程呈現出熱塑性樹脂基體的特點，同時由于材料本身的脆性顯示出一定的剛性特點。

圖2 PP基體的負荷—時間曲線

圖3 PP基體的應力—應變曲線

圖4為PP的聲發射各參數時間歷程。聲發射各參數在時間上表現出離散性，由圖4(a)可知，振鈴計數顯示頻率間隔的區域分布(0～150 s，400 s～斷裂)。第一階段(0～150 s)，信號主要來自基體的原始缺陷，如氣泡、微孔、微裂紋、雜質等，以及材料本身成型過程中的區域缺陷和立構缺陷，在外部載荷作用下而發生破壞。由圖4(b)可見，振幅大多為50 dB，只有少量達到60～70 dB。第二階段(150～430 s)，信號主要來自基體材料自身球晶尺寸增大和密堆，以及基體在塑性變形過程中而引起的內部結構變化;同時第一階段產生的微裂紋逐步擴展，在試樣表面可以觀察到明顯的橫紋現象。圖4(c)中，在第二階段以前幾乎沒有能量，說明熱塑性基體在塑性變形階段的聲發射信號比較弱，而到最后斷裂時能量很大，達到5 000 uvs以上，說明材料本身在低溫時脆性明顯。第三階段(430 s至斷裂)，由圖4(a)可知，振鈴計數出現大幅變化，信號主要是由基體表面橫紋損傷最嚴重的地方發生破壞性斷裂所引起的，相應的能量也出現了明顯的波動［圖4(c)］，振幅為90～100 dB［圖4(b)］，持續時間為3 000～3 600 μs［圖4(d)］。各聲發射參數的這種大幅度變化，與基體最終破壞產生的強烈應力波有關。

圖4 PP基體的聲發射各參數時間歷程

2.2 PPTA 纖維束

拉伸速度1 mm/min，聲發射參數為區域定位。前放 40 dB，門檻 42 dB，PDT 50 μs，HDT 100 μs，HLT 300 μs。為便于放置傳感器及固定纖維束，制成經過PP浸漬而成的預浸料，再裁切成單束纖維束的試樣。

PPTA纖維束在拉伸過程中的負荷—時間和應力—應變曲線如圖5和圖6所示。由圖5可知，纖維在斷裂之前的拉伸破壞基本上為脆性斷裂，之后為PP的蠕變塑性變形及斷裂過程。纖維束的拉伸斷裂過程可分為三個階段，第一階段(0～120 s)基本為線性過程，第二階段(120～170 s)為屈服階段，第三階段(170 s以后至200 s)為纖維束斷裂過程。從圖6可知，拉伸強度為78.86 MPa，拉伸模量為67.99 MPa，斷裂應變為4.61%。拉伸曲線在第一階段大致為線性，在3.3% ～4.7%時有點屈服。在170～200 s范圍內，拉伸曲線呈現多次應力波動且直線下降，原因是纖維束中的單纖根數較多，部分纖維的缺陷以及纖維伸直狀態的差異導致纖維斷裂的不同時性，這種纖維束斷裂的不同時性也導致束纖維的強度偏低。

圖5 PPTA纖維束的負荷—時間曲線

圖6 PPTA纖維束的應力—應變曲線

圖7為PPTA纖維束聲發射各參數時間歷程。第一階段(0～120 s)，圖7(a)中振鈴計數較小，變化較平穩，基本集中在20次左右，個別超過30次，說明纖維束幾乎未受到損傷，主要為彈性變形;圖7(c)中能量幾乎為0，說明纖維基本未受損傷;圖7(b)中振幅為40～50 dB，40、90 s左右分別出現了60及75 dB以上的振幅，分析其原因:一是浸漬基體在拉伸中由于變形而產生的微裂紋引起的，二是纖維束中的缺陷纖維發生斷裂而引起的。第二階段(120～170 s)，圖7(a)中振鈴計數變化不大，試件進入屈服伸展階段，在150 s附近出現了一次大于85 dB的大振幅，相應的圖7(c)中的能量也有較大波動，說明一些纖維無法承受載荷而破壞，且破壞程度明顯大于第一階段。第三階段(170～200 s)，振鈴計數先增大然后逐漸減小，說明纖維束在逐步斷裂過程中，纖維束的主體斷裂使聲發射信號達到高峰，但由于纖維根數較多，纖維之間的抱合摩擦作用使得振鈴計數逐漸減小，這與拉伸曲線最后斷裂時的波動性相符合，圖7(c)中能量的變化也說明了這一點。振幅主要集中在75～100 dB，持續時間為 480 ～800 μs，這些參數的變化均與纖維斷裂有直接關系。

3 結語

對PP基體和PPTA纖維束進行拉伸破壞試驗，并對此過程中的損傷及演化發展進行了聲發射動態測試，通過聲發射參數分析得到基體和增強纖維的聲發射特征。

圖7 PPTA纖維束的聲發射各參數時間歷程

(1)從基體的拉伸破壞過程來看，聲發射各參數在時間上表現出離散性。在小應變(＜8%)時，信號主要來自基體的原始缺陷，如氣泡、微孔、微裂紋、雜質等，以及材料本身成型過程中的區域缺陷和立構缺陷，在外部載荷作用下而發生破壞，振幅約為50 dB;相應的持續時間分布范圍較廣，基本在100～600 μs;而到最后斷裂時能量很大，達到5 000 uvs以上，說明材料本身在低溫時脆性明顯。信號大幅變化主要來源于基體橫紋最嚴重的部分發生的斷裂，振幅為90～100 dB，持續時間為3 000 ～3 600 μs。

(2)對于PPTA纖維束的拉伸破壞，聲發射信號是一個漸增漸減的過程，這與纖維束中纖維根數較多有關，呈現一個逐步斷裂的過程。PPTA纖維束主體的斷裂使聲發射信號達到高峰，但由于纖維根數較多，纖維之間的抱合摩擦作用使信號出現先增大后逐步減小的趨勢，振幅為75～95 dB，持續時間為480 ～800 μs。

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On the tensile damage performance of PPTA/PP composite based on acoustic emission technique

Qi Linlin1，Cui Jianwei2，Li Yi1，Yan Xiong1
(1.Key Lab of Textile Science and Technology of Educntion Ministry，Donghua University;2.College of Textile and Clothing，Nantong University)

Based on tensile experiments and acoustic emission(AE)technique，the AE characteristics of tensile destruction of PPTA/PP composite were studied.Through the analysis of the AE parameters characteristics of the reinforced fiber and matrix during the tensile failure process，the AE characteristics of the reinforced fiber and matrix were also got.

tensile damage，AE technique，parameter analysis，PPTA/PP composite

TS102.4

A

1004－7093(2011)08－0024－05

2011－03－21

戚琳琳，女，1986年生，在讀碩士研究生。主要從事高性能纖維方面研究。

晏雄，E-mail:yaxi@dhu.edu.cn