【正文】 在這一過(guò)程中，試件開(kāi)始受到。這說(shuō)明在此期間內(nèi)，由于試件提前經(jīng)過(guò)預(yù)裂處理，所以在實(shí)驗(yàn) 開(kāi)始階段試件受力平緩，纖維和樹(shù)脂基體基本沒(méi)有受到破壞。鋪層方向復(fù)合材料的曲線，如圖 (a)所示。根據(jù) 試樣所受 載荷和時(shí)間的關(guān)系，可以將 試樣的 斷裂 的歷程 分為四個(gè)階段，第一階段為起始階段，此過(guò)程中載荷變化比較緩慢，聲發(fā)射事件數(shù)較少，幅度也較低；第二階段為線性階段，載荷與時(shí) 間的變化呈線性關(guān)系，幅值和撞擊數(shù)較第一階段有增加，但是外觀沒(méi)有明顯的破壞跡象；第三階段是非線性階段，當(dāng)載荷增大到一定程度后，就會(huì)破壞與時(shí)間的線性關(guān)系，聲發(fā)射事件數(shù)明顯增加，在此過(guò)程中能夠宏觀的看到試件的裂紋擴(kuò)展；第四階段為斷裂階段，載荷和幅度都達(dá)到了最大值，聲發(fā)射事件數(shù)驟增，說(shuō)明試件在層斷裂時(shí)纖維和基體的損傷都加劇。斜向纖維。45176。纖維； 90176。試樣擴(kuò)展較為平齊，但 裂紋 擴(kuò)展長(zhǎng)度最短，分層縱剖面可以明顯看出 45176。試樣擴(kuò)展裂紋尖端平齊，并且 擴(kuò)展長(zhǎng)度最長(zhǎng)，其分層縱剖面纖維斷裂較少，其分層損傷主要為基體開(kāi)裂； 177。 （ 11） 為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)具有重復(fù)性， 重復(fù)以上操作 多次 ，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 并取平均值 。試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)確保周圍環(huán)境沒(méi)有影響聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的各種噪聲。若兩 個(gè) 探頭的 聲發(fā)射 幅度相差不超過(guò)6dB， 則說(shuō)明 接收效果 良好 。 （ 8） 用鉛筆芯模擬聲發(fā)射源，試驗(yàn)探頭的連接和耦合是否良好， 進(jìn)一步檢查 聲發(fā)射接收 通道是否正常。 采用位移 加載進(jìn)行 控制 ，試驗(yàn)機(jī)加載速率設(shè)為 2mm/min。將傳感器中心至于標(biāo)記處 ， 用橡皮筋和膠帶固定傳感器。 （ 4） 用游標(biāo)卡尺測(cè)量制備試樣的寬度和厚度，分別測(cè)出距試樣中心兩側(cè) 50mm 的點(diǎn)，并做出標(biāo)記。 傳感器頻帶為 100~450KHz，中心頻率為 150KHz， 信號(hào)采集閥值設(shè)為 46dB。 具體操作步驟如下： （ 1） 將 聲發(fā)射儀的地線接地，開(kāi)啟聲發(fā)射儀和與其相連的計(jì)算機(jī)，初步檢查聲發(fā)射儀的各通 道是否正常。聲發(fā)射門(mén)檻值設(shè)置為 46dB。在對(duì)試樣進(jìn)行加載破壞的過(guò)程中，利用聲發(fā)射儀器對(duì)試樣進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。 力學(xué) 加載與聲發(fā)射監(jiān)測(cè) 在 萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上 對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行層間損傷破 壞。將玻璃纖維裁剪成 280 mm200 mm 尺寸大小，用厚度 為 的 塑料 薄膜 置于纖維層間切斷基體形成預(yù)制裂紋，采用 2 種鋪設(shè)方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)： （ 1） 單向 10 層，在第 5 層和第 6 層之間放置 塑料 薄膜 ； 25 （ 2） 多向 10 層，在第 5 層和第 6 層之間放置 塑料 薄膜 ； 最后在制樣機(jī)上切割成長(zhǎng)條形彎曲試件，尺寸為 280 mm30 mm6 mm。 最后在制樣機(jī)上切割成長(zhǎng)條形彎曲試件， 切割條狀試樣寬度為30mm，如圖 所示。將 玻璃纖維預(yù)浸料 裁剪成 280 mm200 mm 尺寸大小，獲得 層合板 厚度約為 6 mm。為避免試驗(yàn)機(jī)夾具加載過(guò)程中對(duì) 試件 造成局部應(yīng)力的損壞，并減少 試驗(yàn)機(jī)噪聲影響，在試件 的 夾持部位兩側(cè)粘 貼 上 金屬片 。為實(shí)現(xiàn)分層缺陷，在 對(duì) 預(yù)浸料 進(jìn)行 鋪設(shè)時(shí)， 先 在鋪層之間放置塑料 薄膜將相應(yīng)層 的樹(shù)脂基體進(jìn)行 切斷。 3. 試樣制備及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 試樣制備 實(shí)驗(yàn)選用單向及多向玻璃纖維環(huán)氧預(yù)浸料。 Jeng等研究了碳纖維熱塑性復(fù)合材料的 失效機(jī)理 ， 主要是針對(duì)復(fù)合材料兩種較為常見(jiàn)的損傷方式： 纖維斷裂及脫層 的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了區(qū)分 ，它們的聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、能量及幅值等諸參數(shù)特征均不相同； Michael Johnson 等 在對(duì)復(fù)合材料層合板 23 進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的過(guò)程中，獲取其聲發(fā)射信號(hào)，分析聲發(fā)射事件及聲發(fā)射的波形特征，從而得到了不同損傷模式及裂紋擴(kuò)展的與聲發(fā)射信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)分析這些聲發(fā)射信號(hào)，可以對(duì)復(fù)合材料失效機(jī)理及損傷模式進(jìn)行判斷，對(duì)材料剩余強(qiáng)度進(jìn)行較為有效的預(yù)測(cè)。 復(fù)合材料是由兩種或者多種物質(zhì)組合而成，因而其組織成分及結(jié)構(gòu)多樣，從而導(dǎo)致在受載過(guò)程中，各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的受力有差異，導(dǎo)致 其 失效模式 和 損傷機(jī)理 也各不相同，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受力并產(chǎn)生破壞的過(guò)程 中會(huì)出現(xiàn)大量的聲發(fā)射 信號(hào) ，纖維斷裂、 基體開(kāi)裂 、纖維 與 基體 的界面 分離、分層擴(kuò)展、纖維 拔出 等都是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的典型聲發(fā)射源。無(wú)損檢測(cè)主要針對(duì)不同損傷模式的信號(hào)特征，從而判斷其損傷形式及對(duì)制品性能的影響程度。這些缺陷在使用承載的過(guò)程中，就有可能成為裂紋源，從而導(dǎo)致 各種各樣的損傷形式的出現(xiàn)，主要包括纖維斷裂、基體開(kāi)裂、分層及脫粘等類型。 聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用 復(fù)合材料的比強(qiáng)度比模量高、可設(shè)計(jì)性好，并且具有力學(xué)性能優(yōu)良及耐腐蝕等一些良好的物理化學(xué)性能，從而在工程上各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。聲發(fā)射源在材料中沿各個(gè)方向進(jìn)行傳輸，肯定會(huì)傳播到聲發(fā)射傳感器的表面，并引起表面的振動(dòng)，聲發(fā)射傳感器接受表面振動(dòng)的信號(hào)并將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為接收電壓隨振動(dòng)時(shí)間變化的波形信號(hào)，傳給前置放大器，從 圖 形中計(jì)算提取聲發(fā)射 的 特征參數(shù) （包括 到達(dá)時(shí)間、幅度、振鈴計(jì)數(shù)、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等 ） ，制作相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格 ， 通過(guò)電腦 經(jīng)過(guò) AE 軟件處理 形成最終的格式文件 。 關(guān)于這方面的 研究的主要就是研究瞬態(tài)彈性波的產(chǎn)生、在材料中的傳導(dǎo) 、換能器的 機(jī)械 振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變 為 電信號(hào)， 再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析處理 等 各種 過(guò)程。 采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)對(duì)并信號(hào)進(jìn)行分析，主要是對(duì)各種情況下產(chǎn)生聲發(fā)射源的信號(hào)特征進(jìn)行研究，例如，金屬材料在塑性變形時(shí)材料內(nèi)部的位錯(cuò)，缺陷擴(kuò)展的聲發(fā)射源；地震和礦山監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的巖土開(kāi)裂及土壤顆粒破碎所產(chǎn)生的應(yīng)力波；纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基材料中樹(shù)脂基體的開(kāi)裂擴(kuò)展及纖維的斷裂等產(chǎn)生的聲發(fā)射源 [4345]。材料的塑性變形、斷裂、相變、磁效應(yīng)和表面效應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)而成為聲發(fā)射源。未來(lái)隨著新型信號(hào)處理方式及處理水平的提高，則可直接根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)損傷模型及 損傷 程度進(jìn)行判斷。 聲發(fā)射檢測(cè)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，基本上 不受材料的限制，因?yàn)?除 個(gè)別 材料， 在一定的條件下都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象， 而且可以通過(guò)信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)差對(duì)應(yīng)力源進(jìn)行定位。有研究指出，實(shí)際所有的聲發(fā)射信號(hào)均為突發(fā)型信號(hào)，當(dāng)應(yīng)力波發(fā)生頻率很高，其信號(hào)在時(shí)域上 連貫 不能分離時(shí)，則表現(xiàn)為連續(xù)型信號(hào)。突發(fā)型信號(hào)通常幅值高，持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)，在時(shí)域上不連貫，波形可以分離。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的主要 21 特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，信號(hào)主要來(lái)源于損傷擴(kuò)展釋放的應(yīng)力波 ，因此，可以通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)推斷材料內(nèi)部的損傷位置及程度等信息 [38]。將用聲發(fā)射儀器采集、記錄并分析聲發(fā)射信號(hào)，并利用所記錄的聲發(fā)射信號(hào)判斷應(yīng)力波及產(chǎn)生應(yīng)力波機(jī)制的技術(shù)稱為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)。通常聲發(fā)射信號(hào)是通過(guò)應(yīng)力 波產(chǎn)生、傳播并被聲發(fā)射傳感器接收，并在相應(yīng)的系統(tǒng)中處理后，以波形等形式表示的電信號(hào)。隨著人們對(duì)聲發(fā)射理論的認(rèn)識(shí)加深，以及新一代的全、全自動(dòng)化的聲發(fā)射儀器和信號(hào)處理軟件的研究成功，聲發(fā)射技術(shù)在將會(huì)步入一個(gè)新的、更高的發(fā)展的階段。目前我國(guó)聲發(fā)射技術(shù)廣泛的用于金屬材料、復(fù)合材料、磁聲發(fā)射等領(lǐng)域的研究，并且在監(jiān)視破 損和磨損損傷、評(píng)價(jià)壓力容器結(jié)完整性以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)的泄漏檢測(cè)方面取得了一些成果。目前，我國(guó)的聲發(fā)射技術(shù)在研究和應(yīng)用方面都取得了較大發(fā)展。這標(biāo)志著聲發(fā)射檢測(cè)儀器進(jìn)入了參數(shù)和波形混合分析的階段，更加便于人們直觀的觀察和分析 [3336]。 通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢儀器或構(gòu)件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和同步的數(shù)據(jù)分析。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，聲發(fā)射信號(hào)采 集和分析技術(shù)有了突破性的進(jìn)展。同時(shí)，應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)的聲發(fā)射檢測(cè)儀器開(kāi)始出現(xiàn)，并且在儀器、大型構(gòu)件的監(jiān)測(cè)方面取得了初步的成功。與此同時(shí)，波蘭、瑞典、加拿大等國(guó)家成功的開(kāi)發(fā)出了單 /多通道聲發(fā)射檢測(cè)儀，并成功的應(yīng)用于礦井大 面積地壓活動(dòng)和局部巖體冒落預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。開(kāi)始用儀器來(lái)測(cè)量、記錄聲發(fā)射現(xiàn)象可以追溯到 20 世紀(jì)初，1950 年德國(guó)的 Kaiser 研究發(fā)現(xiàn)了這就是凱塞效應(yīng)，這一效應(yīng)為以后的聲發(fā)射研究提供了依據(jù)，并且廣泛應(yīng)用于工業(yè)上。尤其是由于其有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，在航空航天、石油化工等行業(yè)獲得了良好的應(yīng)用。因此 Dunegan 等人的工作在某種程度上為聲發(fā)射技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)場(chǎng)提供了基礎(chǔ)。在此期間，美國(guó)和日本也開(kāi)始了對(duì)聲發(fā)射的研究，并且研究出了 不同種類材料及損傷機(jī)制下所產(chǎn)生的聲發(fā)射源的物理特征，這些特征可為工程材料損傷診斷及無(wú)損檢測(cè)提供依據(jù)。凱塞最顯著的發(fā)現(xiàn)是證明了材料 在發(fā)生 變形過(guò)程中 ，所產(chǎn)生的 聲發(fā)射信號(hào) 是一次性的，即 具有不可逆性，也就是現(xiàn)在人們常說(shuō) 的“凱塞效應(yīng)” ，是指材料 在加載、卸載后， 重新加載的期間， 加載的載荷不超過(guò)之前的最大載荷時(shí) 不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。 這種 技術(shù) 能夠全程的、 連續(xù) 的 、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)到材料 19 或構(gòu)件的信號(hào)，并且對(duì)開(kāi)裂、裂紋擴(kuò)展和分層等缺陷十分敏感，所以聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中占有重要地位，成為了評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)完整性和分析結(jié)構(gòu)破壞全過(guò)程的重要手段 [2932]。因此檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)，可以用來(lái)判斷構(gòu)件或設(shè)備的肉眼無(wú)法識(shí)別的狀態(tài)。 聲發(fā)射源 作為一種 彈性波源，這種波源直接與材料的變形和裂紋的擴(kuò)展甚至斷裂有關(guān)，例如：金屬材料中裂紋的產(chǎn)生、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界滑移等；復(fù)合材料中纖維與基體脫開(kāi)、分層、基體開(kāi)裂等這些都是明顯的聲發(fā)射源。而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)則能實(shí)時(shí)反應(yīng)信號(hào)變化情況，本文以下著重介紹了聲發(fā)射技術(shù)的原理、應(yīng)用等。而目前的無(wú)損檢測(cè)觀念與傳統(tǒng)的檢測(cè)觀念有很大的不同，是預(yù)先管理，要求對(duì)構(gòu)件定期檢測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)可能發(fā)生的事故、故障進(jìn)行預(yù)報(bào)，并且能在事故發(fā)生之前采取一定的措施，從而在有效的對(duì)事故進(jìn)行預(yù)測(cè)管理、預(yù)防事故的發(fā)生。目前，有效的方法就是對(duì)工件進(jìn)行定期的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在發(fā)生事故之前修復(fù)或者替換問(wèn)題工件，從而來(lái)確保工件在服役周期內(nèi)能一直出于安全狀態(tài)。 在實(shí)際的生產(chǎn)使用過(guò)程中，要想材料沒(méi)有損傷是不可能的。無(wú)損檢測(cè)（ Nondestructive Testing，縮寫(xiě)為 NDT），是指在不影響設(shè)備正常運(yùn)行或者破壞構(gòu)件的性能時(shí)，檢查構(gòu)件內(nèi)部、外部缺陷或測(cè)量構(gòu)件無(wú)法直接觀察得到的特征的技術(shù)方法。所以，本文采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 (a)Ⅰ 型 (a)Mode Ⅰ (b)Ⅱ 型 (b)Mode Ⅱ 圖 Ⅰ 型及 Ⅱ 型分層示意圖 17 Fig. Mode Ⅰ and mode Ⅱ of delamination Ⅰ 型損傷 (張開(kāi)型 )， Kunigal Shivakumar 等提出編織纖維 /乙烯基樹(shù)脂復(fù)合材料層合板 Ⅰ 型斷裂有三個(gè)過(guò)程：起始、線性和最終斷裂 [27]。 分層是復(fù)合材料的主要復(fù)合方式，而分層損傷是復(fù)合材料主要破壞、失效形式之一，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行分層損傷型式主要表現(xiàn)為 Ⅰ 型分層和 Ⅱ 型分層， Ⅰ 型分層屬于張開(kāi)型開(kāi)裂， Ⅱ 型分層屬于滑移型開(kāi)裂，其中以 Ⅰ 型張開(kāi)型損壞最為嚴(yán)重。僅從材料破壞失效特征來(lái)確定其損傷模式及損傷機(jī)制是比較困難的。 并且， 國(guó)內(nèi)外 研究人員近年來(lái)對(duì)復(fù)合材料分層損傷模式做了很多的研究 [2426]。所以分層損傷對(duì)復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度、剛度的影響是非常大的 [23]。因此，分層擴(kuò)展損傷是復(fù)合材料多種損傷模式中最為常見(jiàn)。因此，尋找復(fù)合材料分層損傷臨界值具有重要的分析意義。 （ 4）分層失效 分層損傷會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度與韌度的改變，往往是呈現(xiàn)降低的變化。 觀察復(fù)合材料斷裂形貌發(fā)現(xiàn)，剪切失效模式在與纖維平行和垂直 的方向上均 有所表現(xiàn) 。45176。多向纖維復(fù)合材料中，由于其他鋪層的約束及分載的復(fù)雜應(yīng)力作用，其變形 將會(huì)有所約束，變形 程度將 受到 限制。因此在 壓縮失效的過(guò)程中，剪切應(yīng)力與壓縮應(yīng)力同時(shí)存在，從而導(dǎo)致樹(shù)脂基體破壞，受力承載的纖維斷裂失效。當(dāng)受到壓縮載荷時(shí)，首先是 0176。當(dāng)拉伸載荷不斷增加，在與橫向開(kāi)裂垂直的方向上，裂紋密度逐漸增大，最終裂紋密度達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致材料失效斷裂。這一現(xiàn)象的原因是 裂紋在開(kāi)裂的過(guò)程中，在裂紋 尖端區(qū)域的樹(shù)脂基體出現(xiàn)了應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，此時(shí)這個(gè)區(qū)域的纖維鋪層承受單向拉伸應(yīng)力，但是如果樹(shù)脂基體的韌性較好 ，這種 橫向開(kāi)裂的生長(zhǎng)將會(huì)延遲 。 （ 1）單層拉伸失效 在受到拉伸載荷的條件下，纖維鋪層方向不同的復(fù)合材料將出現(xiàn)橫向開(kāi)裂層。 微裂紋形成的主要原因是在荷載的作用下，最初 纖維 會(huì)對(duì)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展起到 阻止 的作用 ， 而且 裂紋 的發(fā)展趨勢(shì)是沿著纖維到基體的界面方向進(jìn)行的 。通過(guò)對(duì)比分析 斷口形貌，可以確定裂紋 產(chǎn)生的部位 和 發(fā)展方向 。 通過(guò) 研究，多向?qū)雍习逯懈鱾€(gè)鋪層與相同方向的單向?qū)雍习逯械臄嗝嫣卣?基本一樣 。單向?qū)雍习宓氖Ｊ街饕ㄎ⒂^裂紋的生成，及層合板邊緣及界面開(kāi)裂導(dǎo)致的分層損傷。 15 多向?qū)雍习宓幕臼Ｊ? 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞斷裂均為各種微觀損傷累積所致。 （ 4）橫向壓縮失效 試件的橫向壓縮失效與均勻材料的壓縮破壞原理有類似的地方，會(huì)出現(xiàn)沿著纖維鋪向方向的基體界面的剪切破壞現(xiàn)象。 （ 3）橫向拉伸失效 在橫向拉伸載荷下，復(fù)合材料有可能會(huì)出現(xiàn)只有樹(shù)脂基體發(fā)生損傷而纖維不破壞的情況，當(dāng) 單向纖維復(fù)合板 試件在受到橫向拉伸載荷時(shí)，在基體及層間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力 集中區(qū)域，最終樹(shù)脂基體或?qū)娱g由于承受不了這種應(yīng)力集中從而發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致試件由于基體開(kāi)裂或界面分層作用而發(fā)生失效，這種情況被稱為基體失效模式。通常在受到縱向壓縮