缺陷類型對纖維復合材料力學性能的影響

覃尹星 姜世強 高 斌 黃 輝 賈 彬

(1. 西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621000； 2. 上海市建筑科學研究院上海市工程結構安全重點實驗室 上海 200000； 3. 四川德源管道科技股份有限公司 成都 610000； 4. 電子科技大學自動化工程學院 成都 610000)

濕作業纏繞纖維布加固技術已廣泛應用于輸油管道修復加固中，由于施工現場環境富含泥沙且可操作范圍受限，會產生如皺褶、含雜質、空隙、重疊等缺陷[1-14]。皺褶缺陷是施工過程中常見的一種缺陷，內嵌皺褶試件拉伸強度與皺褶寬度正相關，與皺褶高度和皺褶角度負相關[7-9]。空隙缺陷和重疊缺陷容易出現在采用自動鋪絲技術制作的復合材料層合板中。空隙缺陷試件的拉伸強度與空隙缺陷間距正相關，重疊缺陷試件的拉伸強度高于空隙缺陷試件且與缺陷間距負相關[10]。學者們針對缺陷對纖維增強復合材料性能影響的研究方法日新月異：由靜力學研究拓展到動力學研究[11]；在試驗的基礎上引入數值模型分析和顯微技術分析[12-13]；開發了MATLAB子程序來捕獲缺陷的位置和范圍，提出了一種新的缺陷層方法來表征復合材料層合板中各層由于裂紋和重疊而引起的性能變化[14]。目前的研究缺乏對同一工況下各種缺陷的系統性對比。采用濕作業纏繞纖維布加固技術對管道進行加固后，需對管道進行加固質量驗收。目前已有學者對計算機斷層掃描成像檢測、聲發射、微波無損檢測、渦流檢測、磁粉法、超聲檢測、紅外無損檢測等無損檢測技術進行了研究[15-20]，其中紅外無損檢測技術(簡稱 NDT)具有檢測效率高、檢測結果精度高、缺陷可視化、易操作、非接觸性等優點[21-27]，適用于管道加固質量的現場檢測。

本文探索以光激勵為激勵源的紅外檢測技術對玻璃纖維復合材料的無損檢測方法，建立了管道加固缺陷的現場檢測技術。在此基礎上對無缺陷玻璃纖維增強復合材料和含缺陷玻璃纖維增強復合材料進行力學性能試驗，研究6種缺陷類型對玻璃纖維增強復合材料力學性能的影響。

1 纖維復合材料缺陷檢測

1.1 試件設計與制作

試驗所用玻璃纖維和環氧樹脂均由四川德源管道科技股份有限公司提供，采用濕鋪法制作了系列無缺陷試件和含缺陷試件。依據《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》(GB/T 3354—2014)并考慮缺陷大小，設計出共6層纖維布的0度鋪層的試件，長400 mm、寬200 mm、厚3 mm。本次試驗設計了纖維布分層、纖維布未完全浸透、鼓脹、皺褶、夾砂、氣泡、無缺陷共7種試件。具體缺陷參數及試驗工況詳見表1。

表1 缺陷參數Table 1 Defect parameter

6種缺陷設計方法如下：

(1)局部未浸透缺陷：進行鋪敷工作時，在預定制作缺陷的纖維布內外兩面中心位置鋪好相應尺寸的離心膜，形成未浸透區域。(2)分層缺陷：進行鋪敷工作時，在預定制作缺陷位置鋪好相應尺寸的離心膜。(3)氣泡缺陷：氣泡用泡沫球代替，在預定制作缺陷位置鋪放一定數量的泡沫球，形成相應尺寸泡沫球區域。(4)皺褶缺陷：對預定制作缺陷的纖維布進行折疊，形成S形的皺褶，再進行鋪敷工作。(5)夾砂缺陷：進行鋪敷工作時，在預定制作缺陷位置鋪放一定量的石砂，形成相應尺寸石砂區域。(6)鼓脹缺陷：待纖維布的鋪敷工作進行到一定層數后，將直徑為4 cm高度為4 mm的球面模具放置在最底部離心膜下，用于模擬玻璃纖維布局部鼓脹，隨后工作按序進行。

1.2 缺陷檢測

1.2.1 缺陷檢測方法

基于復合材料不具有導電性的缺陷，使用熱激勵裝置給予試件均勻的表面溫度場，內部缺陷對縱向熱傳導產生阻礙從而引起表面溫度場分布異常，使用紅外探測設備采集被測物體表面的熱分布并表示為灰度圖像，采用多種圖像特征提取算法對原數據進行處理，分析缺陷的性質[21-27]。

以光激勵為激勵源的紅外無損檢測方法具有直觀、非接觸測量、空間分辨率高、反應快和結果可靠等特點，且激勵源簡單、激勵可持續較長時間，適用于大面積檢測。

本文使用如圖1所示的以鹵素燈光激勵為激勵源的紅外無損檢測裝置。該裝置由光激勵模塊、控制模塊、熱像儀和計算機等部分組成，有便攜式激勵檢測設備和大功率激勵檢測設備兩種。便攜式設備檢測效果不如大功率檢測設備，但便攜式檢測設備適用于現場檢測。

圖1 缺陷檢測設備Fig.1 Defect detection equipment

1.2.2 缺陷檢測結果

試驗時通過人機交互界面進行操作，用兩個大鹵素燈對試件進行加熱，用熱像儀采集試件表面的熱分布，利用圖像特征提取算法對數據進行處理，檢測結果體現在圖2和表2中。圖2中圖2(a)-圖2(c)是采用大功率激勵檢測設備檢測獲得的圖像，圖2(d)-圖2(f)是采用便攜式激勵檢測設備檢測獲得的圖像。從圖2和表2可見，以光激勵為激勵源的紅外無損檢測技術可以檢測出局部未浸透、分層、夾砂、氣泡、鼓脹和皺褶6種缺陷。深入分析后發現此技術檢測出的局部未浸透、分層和氣泡3種缺陷形態類似，缺陷處顏色均比周圍顏色深，無法進行區分，夾砂缺陷檢測結果顯示缺陷處呈現光圈現象，鼓脹缺陷檢測結果顯示缺陷處顏色深淺不一且有凹凸現象，皺褶缺陷檢測結果顯示缺陷處有貫穿試件寬度方向的凹痕。此檢測技術對幾種缺陷的檢測精度由高到低為夾砂缺陷、鼓脹缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷、皺褶缺陷、局部未浸透缺陷。

圖2 各類缺陷試件檢測圖Fig.2 Detection drawings of various defect specimens

表2 缺陷檢測結果對比Table 2 Comparison of defect detection results

2 拉伸力學性能試驗

2.1 試驗方法

本試驗根據《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》(GB/T 3354—2014)，采用位移控制加載，加載速率為2 mm/min。拉伸試驗所用試件除試件尺寸外，其余參數和制作方法均與無損檢測試件一致。拉伸試驗試件尺寸見圖3。

圖3 拉伸試驗試件尺寸Fig.3 Tensile test specimen size

2.2 破壞特征分析

初始加載階段，所有試件表面無變化且未發出任何聲音。隨著荷載的增加，試件發出膠裂聲，繼續增加荷載，伴隨著膠裂聲的不斷出現，纖維絲束發生斷裂或者試件出現裂紋，荷載因此波動。繼續加載至極限荷載，試件均在發出巨響后失效，皺褶缺陷、分層缺陷、局部未浸透缺陷試件在試件中部發生纖維束斷裂破壞；無缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷、鼓脹缺陷試件纖維束斷裂處稍偏離試件中部，未損傷部分均約寬4～6 cm。試件破壞形式如圖4所示。

圖4 各類試件破壞形式Fig.4 Failure forms of various specimens

3 缺陷對纖維復合材料影響規律分析

3.1 破壞機制分析

無缺陷玻璃纖維增強復合材料試件在縱向拉伸試驗過程中拉力直接作用于試件兩端加強片處，荷載由兩端向試件中部擴散成均勻分布的荷載。荷載由玻璃纖維和樹脂共同承受，樹脂主要將玻璃纖維連接成一個整體，其承受荷載能力遠遠小于玻璃纖維，所以在加載初期會出現樹脂膠裂的聲音。荷載持續增大，達到纖維樹脂界面的破壞荷載時，二者分離，試件進行第一次應力重分布，荷載由纖維承擔；荷載繼續增大，纖維斷裂或試件出現裂紋，此時承擔荷載的纖維就會變少，試件進行第二次應力重分布；在荷載持續增大的過程中斷裂的纖維越來越多，直至失去承載能力。

鼓脹缺陷試件在施加荷載使其由彎變直的過程中膠層斷裂，整體性降低，夾砂缺陷試件中的石砂抑制環氧樹脂的黏結性能，兩者均呈現出纖維束分離的破壞形式。皺褶缺陷試件在皺褶變形區與富樹脂區相連的鋪層位置處存在應力集中，呈現出皺褶處纖維斷裂，遠離皺褶處纖維分離的破壞形式。氣泡缺陷試件孔隙處存在應力集中，呈現出與無缺陷試件一致的纖維炸裂狀斷裂破壞形式。分層缺陷和局部未浸透缺陷的試件層間疏松，呈現出纖維分層斷裂破壞形式。

3.2 缺陷對纖維復合材料力學性能影響分析

圖5為去除離散性較大的數據后各類型試件荷載取平均值后的荷載-位移曲線。從圖5可以看出，所有試件的荷載均隨著位移的增加而不斷增大，在極限荷載前由于纖維的斷裂或者裂紋的出現有不同程度的荷載波動，且含缺陷試件的極限承載力均低于無缺陷試件。缺陷對玻璃纖維復合材料力學性能影響作用由大到小是鼓脹缺陷、夾砂缺陷、局部未浸透缺陷、皺褶缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷。

圖5 各試件荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curve of each specimen

鼓脹缺陷試件存在面積不等的富樹脂區域，在加載過程中會出現應力集中，影響其拉伸力學性能。夾砂缺陷中的石砂可能抑制環氧樹脂的黏結性能，基體/纖維界面受到影響，層間纖維被分開導致結構疏松[1]，且石砂會引起應力集中，從而造成試件拉伸力學性能下降。含皺褶缺陷試件在變形區域與富樹脂區域相連接的鋪層位置處存在應力集中[7-9]，降低了層合板的承載力；皺褶面積越大，富樹脂現象越明顯，對層合板承載力的影響越大。試件中存在氣泡會增加孔隙含量，減少層合板中層間界面的面積，且孔隙處是應力集中區，從而降低試件的拉伸承載力。分層和局部未浸透缺陷試件層間疏松，基體和纖維結合差，降低了基體/纖維界面面積，影響其拉伸力學性能；相同缺陷面積，局部未浸透試件較分層試件層間更多纖維分離，所以拉伸力學性能較分層缺陷試件差。

4 結論

基于以鹵素燈為激勵源的紅外無損檢測裝置，對無缺陷、氣泡缺陷、局部未浸透缺陷、鼓脹缺陷、分層缺陷、皺褶缺陷、夾砂缺陷7種類型的玻璃纖維復合材料共35個試件進行了無損檢測和拉伸破壞試驗，從檢測效果、破壞機制和極限承載能力等方面進行了分析，得出以下主要結論：(1)以光激勵為激勵源的紅外無損檢測技術能夠檢測局部未浸透、分層、氣泡、皺褶、夾砂、鼓脹6種缺陷，檢測精度由高到低為夾砂缺陷、鼓脹缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷、皺褶缺陷、局部未浸透缺陷。(2)缺陷對玻璃纖維復合材料極限抗拉強度影響作用由大到小是鼓脹缺陷、夾砂缺陷、局部未浸透缺陷、皺褶缺陷、氣泡缺陷、分層缺陷。