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PE/PE复合材料拉伸断裂过程声发射源特性之研究

彭永超  
【摘要】: 复合材料以其高比强度、高比模量、损伤容限高和性能可设计等优异特性而广泛应用于各个方面,但复合材料本身所具有的不均匀性、各向异性、损伤破坏模式复杂等特点,使得其产品质量性能差异很大,在使用前和使用过程中的安全检验和强度预报显得尤为重要。复合材料主要的损伤破坏形式有:纤维断裂、基体开裂、界面脱粘或分层等,而每一种损伤破坏形式对复合材料的整体性能都有不同程度的影响。所以目前对于复合材料的损伤破坏和性能预测研究显得越来越重要。 本文首先论述了超高相对分子质量聚乙烯(Ultra-highMolecular Weight Polyethylene,简写为UHMWPE)纤维及其复合材料的发展和应用现状,介绍了声发射技术检测的基本原理以及现代对于声发射信号的分析和处理方法。接着采用熔融膜压法(Film Stacking)并结合复合材料缠绕成型工艺,制备出UHMWPE/LDPE复合材料层合板。利用声发射技术分别对纤维和基体的拉伸断裂过程进行了实时在线监控,找出声发射曲线及参数与断裂类型、特征之间的关系,为复合材料的声发射特征和断裂机理研究提供依据。继而分析了单向UHMWPE/LDPE复合材料的声发射特征和断裂类型,并比较了几种典型铺设角度的UHMWPE/LDPE复合材料的声发射特性和断裂机理,总结出纤维铺设角度与UHMWPE/LDPE复合材料的拉伸强度以及拉伸断裂过程中的声发射特性之间的近似天系。给出了UHMWPE/LDPE复合材料拉伸断裂过程中的各种损伤及破坏的SEM照片。 采用声发射技术研究复合材料的损伤模式和破坏机理是近年来的热点,但是在对于诸如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维增强环氧基复合材料及金属基复合材料等的研究中,却鲜见有关于超高分子质量聚乙烯纤维增强复合材料的报道。本文就是以UHMWPE纤维增强LDPE树脂复合材料层合板为研究对象,对其在拉伸直至断裂过程中的声发射特性进行研究,探讨了声发射特性与复合材料的损伤破坏类型和特征之间的关系,建立了声发射幅度参数与复合材料损伤破坏模式之间的联系。并对复合材料的纤维铺设角度与复合材料的强度和声发射特征参数之间的关系进行了探索,这也是本文的创新点之一。 研究结果表明:UHMWPE/LDPE复合材料的声发射源主要有基体开裂、界面脱胶(粘)、裂纹扩展、纤维抽拔及断裂等。不同的声发射源对应着各自的声发射幅度值,纤维和基体间的界面脱粘或分层是单向UHMWPE/LDPE复合材料层合板损伤破坏的显著特征。对于0°复合材料,其破坏机理主要是材料的韧性复式破坏,包括基体开裂、界面脱粘或分层、纤维纵向劈裂和丝束断裂;10°复合材料主要发生纤维之间的摩擦和界面的分层破坏;45°复合材料破坏则是纤维抽拔和界面脱粘的结果;而90°复合材料的破坏机理主要是界面脱粘、分层以及纤维的横向剥离。UHMWPE/LDPE复合材料的拉伸强度和声发射总能量随着纤维铺设角度θ的增大而减小,声发射事件计数则随θ的增大而增大。材料的主要损伤破坏形式对应着较大的声发射能量和较低的声发射事件数。 用声发射技术去研究UHMWPE/LDPE复合材料拉伸过程中的损伤演化规律以及损伤类型是一种行之有效的手段,能清晰直观地反映材料的损伤特征。


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