木質(zhì)材料損傷斷裂中聲發(fā)射特性的研究進(jìn)展及趨勢

郭曉磊，胡 偉，郭 勇

(1.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)院木材工業(yè)學(xué)院，南京210037;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)院木材工業(yè)學(xué)院，合肥230036)

隨著木材工業(yè)的發(fā)展，木質(zhì)材料 (包括木材和木基復(fù)合材料等)的應(yīng)用越來越廣泛。如木結(jié)構(gòu)建筑的梁和柱可采用單板層積材和平行定向成材，膠合木梁等一些大構(gòu)件可以用于一些跨度較大的建筑物，木質(zhì)工字梁的腹板、墻板和樓層面板等可采用定向刨花板［1］。但木質(zhì)材料本身亦存在一些固有缺陷和損傷、以及在應(yīng)力作用下，木質(zhì)材料會發(fā)生變形甚至斷裂，影響其使用。因此，研究木質(zhì)材料損傷的起始與擴展愈來愈重要，這是安全可靠的使用木質(zhì)材料的基礎(chǔ)。

聲發(fā)射技術(shù)是一種新型的動態(tài)無損檢測技術(shù)，可以實時在線監(jiān)測木質(zhì)材料裂紋尖端起裂時間、破壞源的位置以及材料損傷的嚴(yán)重性，可以避免重大安全事故的發(fā)生。研究木質(zhì)材料損傷斷裂中的聲發(fā)射特性具有重大的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效益。本文介紹了聲發(fā)射技術(shù)的定義、原理以及在木材工業(yè)中的應(yīng)用，綜述了聲發(fā)射技術(shù)在木質(zhì)材料損傷斷裂中的研究進(jìn)展與趨勢，旨在為聲發(fā)射技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考，促進(jìn)其應(yīng)用。

1 聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用

聲發(fā)射 (Acoustic Emission，簡稱AE)是指當(dāng)材料受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，以瞬態(tài)彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象，有時也稱為應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號是指由傳感器接收AE事件，經(jīng)前置放大器、信號調(diào)理裝置等處理而顯示的電信號，用聲發(fā)射儀探測、記錄和分析、處理聲發(fā)射信號以及由檢測到的聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的部位、性質(zhì)及其嚴(yán)重性的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻，直到超聲頻，其頻率主要集中在100kHz到1MHz之間;其幅度從微觀的位錯運動到大規(guī)模宏觀斷裂在很大的范圍內(nèi)變化，按傳感器的輸出可包括數(shù)μV到數(shù)百mV。從聲發(fā)射源釋放出的彈性波傳播到材料表面時，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，傳感器再將這些探測到的機械振動轉(zhuǎn)化為電信號，再被放大、處理和記錄。

目前，聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)在壓力容器的安全性檢測和評價、焊接過程的監(jiān)控和焊縫焊后的完整性檢測、核反應(yīng)堆的安全性監(jiān)測、石油化工工業(yè)、航空航天、鐵路、汽車、建筑等諸多領(lǐng)域都取得了重要進(jìn)展。國內(nèi)外聲發(fā)射技術(shù)在木材工業(yè)中的應(yīng)用主要集中于以下幾個方面:

(1)應(yīng)用于檢測木材干燥過程中內(nèi)應(yīng)力的變化。日本學(xué)者對木材干燥過程中聲發(fā)射信號進(jìn)行采集和分析，并成功開發(fā)出了木材干燥自動控制系統(tǒng)。中南林業(yè)大學(xué)的謝力生教授［2］根據(jù)AE計測值預(yù)測干燥開裂，利用AE信息對干燥過程進(jìn)行自動控制，可有效減少開裂的產(chǎn)生。

(2)由于木質(zhì)材料在彎曲過程中會產(chǎn)生應(yīng)力，因而也會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。因此，可以在不破壞木質(zhì)材料的情況下，用AE檢測或預(yù)測材料的抗彎強度。

(3)利用聲發(fā)射技術(shù)可以檢測木質(zhì)材料的力學(xué)性能及其內(nèi)部缺陷，徐慧［3］研究了刨花板在三點彎曲及拉伸過程中的聲發(fā)射特性，測試表明:刨花板在加載彎曲過程中的聲發(fā)射特性曲線能較好地反映刨花板的力學(xué)性能，即聲發(fā)射特性曲線能反映出材料的彈性區(qū)、永久變形區(qū)、彈性極限點等參數(shù)。

(4)在木材切削加工過程中，聲發(fā)射技術(shù)主要應(yīng)用于監(jiān)測刀具的磨損，以及切削加工過程中加工質(zhì)量的控制，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削條件 (樹種、切削速度、切削厚度等)改變時，AE信號的變化和加工表面粗糙度之間有密切的對應(yīng)關(guān)系。

2 木質(zhì)材料損傷斷裂中聲發(fā)射特性的研究進(jìn)展

木質(zhì)材料的損傷斷裂機理不同于金屬等均質(zhì)材料，而目前研究木質(zhì)材料損傷斷裂行為的方法是將木質(zhì)材料假想成連續(xù)的均質(zhì)材料，多采用均質(zhì)材料 (如金屬)—力學(xué)試驗和微觀觀察相結(jié)合的研究方法，但由于力學(xué)試驗參量對復(fù)雜的微觀斷裂不敏感，有時不能發(fā)現(xiàn)和區(qū)分某些損傷斷裂源，而顯微觀察也只是在事后觀察斷口，研究局部斷裂形貌，因而無法研究斷口的形成過程，也無法研究木質(zhì)材料中各斷裂源的特征。利用聲發(fā)射技術(shù)可以對木質(zhì)材料損傷斷裂全過程進(jìn)行有效監(jiān)測，分析研究采集到的聲發(fā)射信號，可以判斷木質(zhì)材料損傷的類型、發(fā)生損傷時的臨界載荷以及裂紋擴展起始點、損傷斷裂階段等。

2.1 木材損傷斷裂中聲發(fā)射特性的研究進(jìn)展

木材是一種具有多孔、層狀結(jié)構(gòu)的天然復(fù)合材料，用作結(jié)構(gòu)材時，其固有的非均勻性和節(jié)疤、開裂等缺陷以及其它不連續(xù)的性質(zhì)容易造成木材斷裂，而斷裂特性是木結(jié)構(gòu)安全性評價及木結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)。國內(nèi)外學(xué)者對木材損傷和斷裂的聲發(fā)射特性的研究起始于20世紀(jì)80年代，聲發(fā)射技術(shù)也已發(fā)展成為有效跟蹤木試件損傷演變的方法之一。

A Reiterer［4］等人在2000年研究了2種針葉材和3種闊葉材在斷裂模式Ⅰ破壞過程中的聲發(fā)射活動，為了描述初始裂紋和裂紋的演化，通過所測得載荷位移曲線估算拉伸強度和斷裂能，得出破壞過程的不同可以通過聲發(fā)射事件的累計計數(shù)和幅值來研究。J.Raczkowski［5］和 S.E.Stanzl-Tschegg［6］等人分別深入研究了受真菌感染和受SO2污染的木材在受力過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象。2001年，S Aicher［7］通過聲發(fā)射分析技術(shù)研究了云杉在垂直纖維方向拉伸載荷條件下的破壞演變過程，研究表明，聲發(fā)射事件率和整體應(yīng)變之間的相關(guān)性就可以跟蹤材料的破壞，聲發(fā)射率增加可以標(biāo)識明顯的破壞。2002年，孫建平［8-9］等人利用聲發(fā)射測試和力學(xué)實驗相結(jié)合的方法，研究了山楊在動態(tài)載荷下聲發(fā)射的演變過程，通過參數(shù)分析法分析不同受力階段木材的聲發(fā)射特點，發(fā)現(xiàn)山楊在受力條件下的完全彈性、彈性為主的和塑性為主的彈塑性共存三種狀態(tài)可以由聲發(fā)射累計撞擊數(shù)和累計能量增加快慢體現(xiàn);聲發(fā)射信號的聲發(fā)射率、上升時間和幅值參數(shù)可預(yù)測材料開始斷裂進(jìn)入危險期和材料大量纖維斷裂進(jìn)入嚴(yán)重危險期的兩個“臨界點”。王堅偉［10］采集了電子萬能力學(xué)試驗機對杉木進(jìn)行緊湊拉伸實驗過程中的聲發(fā)射信號，首次通過振鈴法確定木材斷裂的臨界點，并指出臨界點的確定必須符合兩個條件:第一，該點的值明顯高于之前對應(yīng)點的值;第二，該點之后一段時間內(nèi)的點所對應(yīng)的值也大于正常值。2007年，朱紅娟［11］利用小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對不同損傷程度的落葉松的聲發(fā)射信號進(jìn)行研究，建立了描述缺陷信號特征值和缺陷狀態(tài)之間的映射關(guān)系，可以有效將無缺陷、輕微缺陷和嚴(yán)重缺陷三種缺陷模式識別。2009年，邵卓平［12］等以兩種針葉材 (魚鱗云杉、落葉松)和兩種闊葉材(意楊和紅錐)為試材，研究了無缺陷試件和含裂紋試件在三點彎曲破壞過程中材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的聲發(fā)射特性，研究得出，一些較低振幅的聲發(fā)射信號出現(xiàn)在無缺陷試件加載初期，且聲發(fā)射事件發(fā)展緩慢;而大量高振幅的聲發(fā)射信號則出現(xiàn)在峰值載荷附近及韌性斷裂階段。張志研［13］在分別對樺木、水曲柳、落葉松三種木材的LT裂紋類型試樣進(jìn)行三點彎曲試驗的同時，利用聲發(fā)射儀采集信號，研究得出三點彎曲有、無裂紋承載過程中裂紋擴展臨界應(yīng)力及無裂紋試樣裂紋產(chǎn)生臨界應(yīng)力相差較大;通過聲發(fā)射技術(shù)對木材裂紋擴展臨界點進(jìn)行監(jiān)測研究，對比聲發(fā)射技術(shù)確定的裂紋擴展臨界載荷和木材載荷-位移曲線確定的木材裂紋擴展載荷，發(fā)現(xiàn)前者略小于后者。

木材的微觀損傷斷裂方式主要有胞、壁間界面損傷，細(xì)胞壁屈曲和局部塌潰損傷帶，微孔洞損傷與匯合以及微裂隙損傷，但每一種損傷、斷裂在其發(fā)生、發(fā)展中都會有明顯的聲發(fā)射特征。通過對木材損傷斷裂過程中聲發(fā)射信號的分析，來識別和判斷木材斷裂源的位置、何時發(fā)生損傷斷裂及其不同階段等，為研究木材損傷斷裂機理提供參考依據(jù)。

2.2 木基復(fù)合材料斷裂損傷中聲發(fā)射特性的研究進(jìn)展

木質(zhì)基體復(fù)合材料 (簡稱木基復(fù)合材料)是利用不同維數(shù)木質(zhì)單元為基體的協(xié)同效應(yīng)和加和法則，通過與異質(zhì)、異型、異性的增強體或功能單元混雜復(fù)合加工形成的新型多相材料［14］。簡單的說，木基復(fù)合材料是以木質(zhì)單元為主體，與木質(zhì)或其它單元 (合成高聚物、金屬或非金屬等)復(fù)合而成的新型材料。

國內(nèi)外將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域的研究已有許多成功的事例，如一些研究人員將它應(yīng)用于材料的損傷和破壞研究。Huguet、Siron［15-16］等人分別利用聲發(fā)射技術(shù)研究了纖維增強復(fù)合材料的損傷機理，丁利偉［17］等利用聲發(fā)射技術(shù)對16MnR/0Cr18Ni9Ti復(fù)合材料的拉伸過程進(jìn)行了監(jiān)測，分析拉伸過程中聲發(fā)射信號的能量、振鈴計數(shù)、幅值、持續(xù)時間等特征參數(shù)，可以將拉伸過程分為不同的破壞階段，實驗表明聲發(fā)射監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)載荷與應(yīng)變關(guān)系曲線所不能反映出來的材料損傷。趙方芳［18］等利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)督了顆粒填充聚合物材料含單邊缺口試樣承受三點彎曲載荷時裂紋尖端形成損傷開裂的全過程，有效地識別了顆粒填充聚合物材料的破壞模式。

目前，聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于木基復(fù)合材料中的研究還沒有像其他復(fù)合材料一樣廣泛，但國內(nèi)外一些學(xué)者在這方面也做了一些開拓性的研究，并取得了一定的成果。如Acher和Dill-Langer［19］在1998 年把聲發(fā)射用于膠合層積材在垂直紋理拉伸載荷條件下的裂紋擴展定位研究。王軍［20］等用兩個R15型傳感器組成的聲發(fā)射采集系統(tǒng)采集了由稻糠粉、聚乙烯塑料、偶聯(lián)劑等混合造粒并在高溫下擠出成型的新型木塑材料三點彎曲實驗下的聲發(fā)射信號，確定了不同缺陷及損傷模式所對應(yīng)的聲發(fā)射特征信號。南京林業(yè)大學(xué)殷冬萌［21］利用萬能力學(xué)試驗儀和聲發(fā)射采集系統(tǒng)完成了三點彎曲試驗下聲發(fā)射信號的采集工作，結(jié)合受壓材料斷面的金相觀察得出木塑復(fù)合材料缺陷和損傷的五種類型，并應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別出此五類聲發(fā)射信號:纖維斷裂、界面分離、基材開裂、空洞和界面摩擦，正確率達(dá)到94.3%。徐慧［22］等分析了聲發(fā)射技術(shù)在刨花板力學(xué)性能檢測中的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)由AE振鈴計數(shù)-位移曲線可求得彈性極限點和破壞點的位置，作為檢測材料力學(xué)性能的補充手段，具有實時性強、靈敏度高等優(yōu)點，且能有效獲得材料的損傷機理。

研究木基復(fù)合材料損傷斷裂過程中聲發(fā)射特性，判斷其內(nèi)部存在的缺陷及損傷斷裂機理，對研究和改進(jìn)生產(chǎn)工藝具有重要的指導(dǎo)意義。隨著木基復(fù)合材料種類的增多，如木材/金屬復(fù)合材料，木材/竹材復(fù)合材料，木材/無機非金屬復(fù)合材料，竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)材料等，及應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)在其他復(fù)合材料中的研究方法，聲發(fā)射技術(shù)在木基復(fù)合材料中的應(yīng)用將會更加深入。

3 聲發(fā)射技術(shù)在木質(zhì)材料科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

聲發(fā)射技術(shù)與其他常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，是根據(jù)材料內(nèi)部釋放出來的應(yīng)力波來判斷其內(nèi)部損傷情況的一種動態(tài)無損檢測方法，它探測到的能量來自材料本身內(nèi)部缺陷的運動和變化。因此，利用聲發(fā)射技術(shù)可以獲得關(guān)于木質(zhì)材料損傷斷裂過程中的豐富信息，未來進(jìn)一步的研究將主要集中在以下幾個方面:

3.1 研究對象及內(nèi)容會不斷擴大

木質(zhì)材料的加工過程遠(yuǎn)比其他材料的加工過程所消耗的能量及對環(huán)境的影響小，且木質(zhì)材料具有可再生性等優(yōu)點，因此木質(zhì)材料的應(yīng)用會逐漸擴大，新型結(jié)構(gòu)的木質(zhì)材料也將會被開發(fā)出來。利用聲發(fā)射技術(shù)對木質(zhì)材料加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，無需停機檢查即可根據(jù)采集到的聲發(fā)射信號檢驗產(chǎn)品質(zhì)量是否合格，生產(chǎn)過程是否良好等。隨著新材料的開發(fā)成功及應(yīng)用，不僅需要對實體木材和膠合板、刨花板以及中密度纖維板等木質(zhì)材料動態(tài)載荷下?lián)p傷斷裂過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究，對木塑復(fù)合材料、單板層積材、膠合木等木質(zhì)材料和大型結(jié)構(gòu)用材的動態(tài)載荷作用下的聲發(fā)射特性的研究也會呈現(xiàn)增多的趨勢。對木質(zhì)材料的損傷斷裂、結(jié)構(gòu)材的動態(tài)監(jiān)測將進(jìn)行深入的研究［23］，同時還應(yīng)將聲發(fā)射特性作為木質(zhì)材料的固有參量，同其他表征材料力學(xué)性能的參量一起進(jìn)行研究，對木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計、安全性評價等具有重要指導(dǎo)意義。

3.2 用于監(jiān)測木質(zhì)材料破壞過程及其損傷機理的研究

與其他材料一樣，木質(zhì)材料在所受應(yīng)力的不同階段，聲發(fā)射特性是不同的。根據(jù)這些變化可以較準(zhǔn)確的判斷材料所處的狀態(tài)和是否達(dá)到材料破壞的臨界值。聲發(fā)射信號中包含了材料損傷斷裂過程的所有重要信息，今后可將聲發(fā)射技術(shù)和萬能試驗機有機結(jié)合，形成一種能準(zhǔn)確監(jiān)控加載過程中損傷起始和演變的實驗技術(shù)和裝置，得到反映損傷過程的載荷-聲發(fā)射圖。以研究不同的聲發(fā)射參數(shù)與材料受力之間的關(guān)系，以及不同的加載速率和環(huán)境對木質(zhì)材料損傷斷裂過程及聲發(fā)射信號的影響。所以可以根據(jù)采集到的聲發(fā)射信號有效判斷材料所處的應(yīng)力狀態(tài)，找到材料發(fā)生破壞的臨界點，這對于實際應(yīng)用中預(yù)估材料的使用壽命具有重要參考價值。此外，對聲發(fā)射源的研究應(yīng)將擴大。斷裂力學(xué)是研究木質(zhì)材料損傷機理的理論基礎(chǔ)，而聲發(fā)射技術(shù)是定量研究斷裂力學(xué)的一種重要手段，聲發(fā)射技術(shù)能夠給出關(guān)于材料內(nèi)部缺陷的豐富信息，所以將聲發(fā)射技術(shù)同斷裂力學(xué)結(jié)合起來，可以深入研究木質(zhì)材料斷裂過程中的聲發(fā)射信號產(chǎn)生機理，以揭示木質(zhì)材料裂紋的形成、擴展、斷裂過程同聲發(fā)射活動特征之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.3 聲發(fā)射信號的分析方法及聲發(fā)射儀研究

聲發(fā)射信號的分析處理是聲發(fā)射技術(shù)的重要部分。試驗中采集的聲發(fā)射信號是復(fù)雜多變的且易受外界環(huán)境的影響，要提取出有用的聲發(fā)射信號就必須采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)。隨著計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，聲發(fā)射信號的處理方法將引入更多的分析方法，如基于波形分析上的模態(tài)分析、經(jīng)典譜分析、現(xiàn)代譜分析、小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別等。對聲發(fā)射信號參數(shù)，應(yīng)采用模式識別、灰色關(guān)聯(lián)分析和模糊分析等技術(shù)。在儀器和軟件開發(fā)方面，進(jìn)一步提高聲發(fā)射檢測儀器的可靠性，開發(fā)高效的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)分析與處理軟件包。利用現(xiàn)代計算機無線 (含有線)網(wǎng)絡(luò)功能，研制允許用戶遠(yuǎn)程操作及監(jiān)視的聲發(fā)射系統(tǒng)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及診斷。

4 結(jié)束語

在大力提倡環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的今天，木質(zhì)材料具有良好的絕熱、吸聲、吸濕以及具有固碳、低耗能、可再生、強重比高等優(yōu)點，使得木質(zhì)材料具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。但由于木質(zhì)材料內(nèi)部存在一些微觀的細(xì)微缺陷，且長期在外力作用下易發(fā)生彎曲變形直至破壞，存在一定的安全風(fēng)險。聲發(fā)射技術(shù)可以很好的監(jiān)測和識別木質(zhì)材料缺陷和損傷發(fā)展過程，對判斷木質(zhì)材料損傷斷裂源的位置以及何時發(fā)生損傷斷裂，評估其使用壽命等方面具有其他無損檢測方法不可比擬的優(yōu)勢，因此聲發(fā)射技術(shù)在木質(zhì)材料損傷斷裂中的應(yīng)用也將不斷得到發(fā)展。

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