基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料壓縮破壞分析

嚴(yán) 實(shí)，李冬華，泮世東，馮吉才

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料工程與科學(xué)博士后流動站，哈爾濱 150001；2哈爾濱理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

三維編織復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，由于其具有良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，因此在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外許多學(xué)者都致力于三維編織復(fù)合材料的研究，并在編織復(fù)合材料理論和應(yīng)用方面取得了許多成果［1］。

聲發(fā)射是指物體受到外界作用時(shí)，內(nèi)部的應(yīng)變能以彈性波的形式迅速釋放出來的物理現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)檢測方法，即材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動變化過程中的檢測。由于復(fù)合材料組分和結(jié)構(gòu)形式的多樣性以及應(yīng)力狀態(tài)的不同，其損傷機(jī)理和破壞模式也各不相同，對此類材料的損傷描述也多采用不同的AE參數(shù)進(jìn)行多參數(shù)綜合分析［2］。

目前，國內(nèi)外研究者對聲發(fā)射技術(shù)在材料損傷檢測方面的應(yīng)用做了大量工作，涉及的材料幾乎涵蓋了所有工程材料。Morscher［3］對二維編織SiC／SiC復(fù)合材料進(jìn)行了單向拉伸、卸載、再加載試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用雙探頭線定位全程動態(tài)AE檢測，給出了不同載荷下試件損傷AE波形及其FFT變換，通過AE波形FFT描述不同的損傷模式，并探討了損傷對材料彈性模量和聲速的影響規(guī)律。Johnson［4］等利用聲發(fā)射事件數(shù)和波形特征對復(fù)合材料層合板拉伸損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用聲發(fā)射累積事件數(shù)和波形形態(tài)描述了損傷發(fā)展和不同類型的損傷。王?。?］等對炭／環(huán)氧復(fù)合材料聲發(fā)射信號進(jìn)行了小波分析，通過對比三點(diǎn)彎曲下不同損傷模式AE波形和FFT（快速傅里葉變換）波形，給出纖維斷裂、基體開裂、界面分離、分層、界面摩擦損傷的AE參數(shù)特征。矯桂瓊等［6，7］針對三維編織C／SiC復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了材料拉伸、壓縮的主要力學(xué)性能參數(shù)，并對材料的損傷演化及破壞規(guī)律進(jìn)行了聲發(fā)射參數(shù)分析和損傷模式識別。萬振凱和李靜東［8］論述了聲發(fā)射技術(shù)在三維編織復(fù)合材料壓縮過程中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)方法，給出了聲發(fā)射在三維編織復(fù)合材料壓縮過程中的特征。任會蘭等［9］對陶瓷材料在兩種壓縮加載下破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，文獻(xiàn)［10，11］中對三維編織薄板試件的壓縮破壞特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

為較為系統(tǒng)地分析編織參數(shù)對三維四向編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能及其損傷演化過程的影響規(guī)律，本工作針對不同編織角度的三維四向編織復(fù)合材料的薄板試件進(jìn)行了壓縮破壞實(shí)驗(yàn)，并利用聲發(fā)射信號檢測其損傷破壞過程。通過聲發(fā)射的能量、事件率、峰值頻率和幅度等特征參數(shù)，采用多參數(shù)歷程圖分析法，并結(jié)合載荷－位移曲線，從宏觀角度描述了三維編織復(fù)合材料壓縮的損傷發(fā)展過程，揭示了三維編織復(fù)合材料壓縮過程中的損傷發(fā)展和演化規(guī)律。通過對三維編織復(fù)合材料壓縮過程中聲發(fā)射信號的頻譜分析，得出了不同類型損傷的頻譜特性，在細(xì)觀上研究了三維編織復(fù)合材料壓縮損傷機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為三維四向炭／環(huán)氧編織復(fù)合材料，由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制?；w材料為TDE－86環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)纖維為T300炭纖維，纖維束規(guī)格為12K，經(jīng)RTM工藝固化成型。為了更好地研究三維四向編織復(fù)合材料的壓縮損傷過程，選用了三種不同編織工藝參數(shù)的試件，試件的工藝參數(shù)如表1所示。試件形狀、尺寸及探頭安裝位置如圖1所示。

所有實(shí)驗(yàn)均通過INSTRON（5569）電子拉伸機(jī)對試件進(jìn)行加載。采用位移控制加載，加載速率為1mm／min。并采用PAC公司 MISTRAS－2001全數(shù)字式聲發(fā)射系統(tǒng)，用寬頻（WD）探頭采集聲發(fā)射信號，探頭頻率范圍為100～1000kHz，增益設(shè)為40dB，信號觸發(fā)門檻值為45dB。

表1 三維四向炭／環(huán)氧編織復(fù)合材料試件的相關(guān)參數(shù)Table 1 The parameters of 3D4－directional carbon／epoxy braided composites

圖1 壓縮試件尺寸及聲發(fā)射探頭位置（單位：mm）Fig.1 Dimension of compressive specimen and location of AE sensors（unit：mm）

2 試件斷口細(xì)觀形貌

試件軸向壓縮斷口照片如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，C1試件的破壞模式主要是纖維束的脆性斷裂，斷口基本平齊。纖維束脆性斷裂過程可通過分析壓縮斷口形貌得到，即試件在一定壓縮載荷作用下，纖維束層間較弱的部分出現(xiàn)橫向裂紋，說明該試件在壓縮破壞時(shí)，纖維束承擔(dān)主要的載荷并處于一種較為均勻的壓縮狀態(tài)，基體變形相對較大，只能通過剪切力作用于纖維束，隨著載荷進(jìn)一步增加，橫向裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)纖維的脆性斷裂導(dǎo)致了試件最終失效。在承載過程中，裂紋也會沿著編織角方向的纖維束界面開裂。

圖2（b）給出了C2試件的軸向壓縮斷口照片。當(dāng)編織角度大于某個角度時(shí)，試件的破壞模式主要是沿著編織角方向纖維束的剪切破壞，這與C1試件的破壞模式明顯不同。從圖中可以看出，纖維束以及纖維束邊界有非常明顯的剪切破壞痕跡。在壓縮過程中，基體承受一定的載荷，纖維束界面處有較大的應(yīng)力集中，因而基體會同時(shí)開裂。這說明在編織角度較大的情況下試件的主要承載對象不僅僅是纖維束，基體的貢獻(xiàn)也明顯增加。在一定的壓縮載荷作用下，纖維束間擠壓作用使得纖維束在剪切應(yīng)力的作用下發(fā)生剪切破壞，這種剪切應(yīng)力也促使基體開裂。隨著損傷的累積和纖維束與基體界面的逐步破壞，纖維束與基體的黏接面被破壞，基體無法再支撐纖維束，此時(shí)纖維束會沿著編織角方向剪切破壞。

圖2（c）給出了C3試件的軸向壓縮斷口照片。圖2（c）表明，隨著編織角度的進(jìn)一步增加，試件基體以及纖維束與基體界面的破壞也更加明顯，壓縮試件隨基體與纖維束的剝離而呈現(xiàn)網(wǎng)格狀突起。在編織角度較大的情況下，基體承力較大，纖維束交界處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致基體開裂。當(dāng)載荷達(dá)到一定水平后，纖維束邊界與基體的粘接被破壞，界面發(fā)生脫膠分離。隨著載荷進(jìn)一步增加，纖維束表面的基體完全被壓碎、剝離，此時(shí)纖維束承受大部分壓縮載荷，橫向的膨脹使材料逐漸變得松散屈曲，從而導(dǎo)致試件承載能力不斷下降，但纖維束結(jié)構(gòu)基本上還保持完整。

圖2 材料軸向壓縮的斷口照片 （a）C1；（b）C2；（c）C3Fig.2 Microscopic fracture surface of specimens under longitudinal compression （a）C1；（b）C2；（c）C3

3 聲發(fā)射信號特征

3.1 聲發(fā)射信號參數(shù)分析

三維四向編織復(fù)合材料壓縮試件的典型載荷－位移曲線及相應(yīng)的AE信號參數(shù)變化如圖3～5所示。這里分析的聲發(fā)射信號參數(shù)包括能量（信號檢波包絡(luò)線下的面積）、事件率（產(chǎn)生聲發(fā)射的一次材料局部變化稱為一個聲發(fā)射試件，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率）、峰值頻率（信號波形經(jīng)過快速傅里葉變換后頻譜曲線的峰值）和幅度（信號波形的最大振幅值，通常用dB表示）。根據(jù)累積聲發(fā)射能量和事件率的變化，參照峰值頻率和幅度的改變，結(jié)合壓縮試件的載荷－位移曲線以及不同工藝參數(shù)壓縮試件的不同破壞機(jī)理，把三維四向編織復(fù)合材料的壓縮損傷過程基本分為以下四個階段。

圖3 C1試件的載荷－位移曲線與相應(yīng)的AE行為分布 （a）AE累積能量；（b）AE事件率；（c）AE峰值頻率；（d）AE幅度Fig.3 Load－displacement curves and distribution of AE behavior of C1specimen（a）cumulative AE energy；（b）AE event rate；（c）AE peak frequency；（d）AE amplitude

第一階段（初始損傷階段）：此階段可細(xì)分為兩個區(qū)域，完全彈性區(qū)和初始損傷區(qū)。在完全彈性階段，沒有檢測到聲發(fā)射信號，這就表明試件整體處于完全彈性，沒有損傷產(chǎn)生。在初始損傷階段，AE累積能量和事件率變化不大，AE事件的峰值頻率和幅度集中在低頻低幅度區(qū)域，這表明試件在加載初期有少量損傷產(chǎn)生，每個損傷的能量較低，主要是基體裂紋（峰值頻率低（＜100kHz）且幅度較?。ǖ陀?0dB））以及弱連接界面脫膠（峰值頻率較低（一般在250kHz左右）且幅度較?。ǖ陀?0dB））。

從圖3～5可看出，初始損傷階段的長短和壓縮試件的編織參數(shù)有著一定的關(guān)系。對于不同編織角的試件，如C1，C2和C3，隨著編織角的增加，初始損傷階段逐漸縮短。主要原因是在相同的載荷情況下，編織角較大的試件，其基體承受更多的載荷，這樣導(dǎo)致大量的基體裂紋和弱連接界面的脫膠，以及纖維／基體界面不光滑引起的界面摩擦（峰值頻率較低（＜200kHz）且幅度較?。ǖ陀?0dB））。

第二階段（損傷演化階段）：此階段AE累積能量和事件率隨著載荷的增加逐漸上升，這表明試件產(chǎn)生大量穩(wěn)態(tài)發(fā)展的損傷，其發(fā)展速度基本不變。AE累積能量和事件率的小幅波動說明了損傷發(fā)展的漸進(jìn)性；AE峰值頻率和幅度參數(shù)變化基本穩(wěn)定，可以判定損傷類型基本相同，這階段的損傷主要是以基體開裂為主。

由于三維編織復(fù)合材料壓縮試件的有效標(biāo)記段較拉伸試件的短很多，且其損傷部位比較集中，因此壓縮試件的損傷演化階段相對較短，受試件編織工藝參數(shù)的影響不大。然而，AE參數(shù)的變化受試件編織工藝參數(shù)影響較大。隨著編織角的增加，AE累積能量和事件率基本呈級數(shù)增長（如C1和C2試件），這與拉伸試件的變化趨勢基本類似。對于不同纖維體積含量的壓縮試件，纖維體積含量高的試件的AE參數(shù)變化，如AE累積能量和事件率，基本與纖維體積含量低的試件在同一量級，但前者略低于后者（如C2試件）。這些變化趨勢說明，在壓縮過程中，纖維束承受主要的載荷，編織角變小，纖維體積含量較低，試件易于出現(xiàn)基體開裂以及界面脫膠等損傷模式。

第三階段（損傷破壞階段）：對于編織角不同的壓縮試件，由于其破壞模式不同，因此這個階段的AE累積能量和事件率的變化也有所不同。

編織角較小的壓縮試件整體破壞（C1試件）時(shí)，AE累積能量急劇升高，說明損傷是大能量的損傷。此時(shí)的AE幅度主要分布在高幅度區(qū)域，與高能量分布相對應(yīng)。這個階段只出現(xiàn)一次AE能量的突變，壓縮試件的載荷－位移曲線也表明試件的最終破壞形式是突發(fā)性脆性斷裂。試件的斷口比較平齊，這說明纖維束不是逐步被壓斷，而是幾乎同時(shí)被壓斷的。其主要原因在于：對于壓縮試件，裂紋沿纖維束方向擴(kuò)展的驅(qū)動力較小，壓縮載荷主要由纖維束承受。纖維束壓斷與裂紋沿纖維束擴(kuò)展的兩種破壞模式相比，試件以纖維束壓斷為主要的破壞模式，最終導(dǎo)致試件失效，此時(shí)的聲發(fā)射信號特征是低頻率（＜100kHz），高幅值（大于80dB））。

編織角較大的壓縮試件（C2和C3試件），AE累積能量的增加幅度也隨著編織角變化。對于C2試件，損傷破壞階段AE累積能量的增加幅度要高于損傷演化階段，出現(xiàn)大量高頻率（600kHz左右）中幅度的信號（65～85dB），試件的破壞模式主要是纖維束沿編織角方向的剪切破壞。隨著編織角進(jìn)一步增加（C3試件），第三階段的AE累積能量的變化趨勢低于第二階段，出現(xiàn)了中高頻率（350～450kHz）中幅度的信號（65～80dB），試件的主要破壞模式是纖維束／基體界面的剝離。

第四階段（試件失效階段）：只有在編織角較大的試件（C2和C3試件）中才存在這個階段。此時(shí)，試件已經(jīng)失效，但還具有一定的承載能力。這是因?yàn)樵趬嚎s載荷作用下，試件失效處的纖維束還有相互作用。對于C2試件而言，該階段的破壞模式主要為纖維束間的摩擦滑移；對于C3試件，該階段的破壞模式主要是沒有基體支撐的纖維束的松散屈曲。

總的來說，試件破壞模式可主要分為兩類，即低頻的脆性信號特征和中高頻的塑性信號特征，且在材料的損傷演化過程中，兩類信號特征相互摻雜在一起（有的信號還同時(shí)具有脆性和塑性的特征），不易區(qū)分。

3.2 聲發(fā)射信號頻譜分析

聲發(fā)射的能量、事件數(shù)和幅值與損傷的大小，擴(kuò)展的快慢有直接的關(guān)系，用于表征試件宏觀損傷演化十分有用。然而這些信號受到傳播衰減和反射波的疊加等影響，很難與損傷的形式建立直接的聯(lián)系。聲發(fā)射頻率特性是通過對一個聲發(fā)射波形進(jìn)行頻率分布的分析得到的，即頻譜。聲發(fā)射的頻譜特性一般受其他因素的干擾較小，不同細(xì)觀損傷源所發(fā)出聲波的能量、事件數(shù)、振幅可能相同，但頻率一般不同。因此，聲發(fā)射的頻譜特性的分析可能成為判斷損傷類型的有效方法［12］。

聲發(fā)射信號的波形幾乎無損失地含有聲發(fā)射源的全部信息，波形信號的分析更適合細(xì)觀損傷機(jī)理的描述。這里采用寬頻探頭對三維編織試樣壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全程動態(tài)監(jiān)測，獲取全部的聲發(fā)射波形信號，信號經(jīng)過快速Fourier變換（FFT）處理，提取其實(shí)部參數(shù)進(jìn)行分析。三維四向編織復(fù)合材料壓縮測試中，試件破壞階段的典型聲發(fā)射信號的FFT實(shí)部參數(shù)波形如圖6～8所示。

從圖6中可以看出，C1試件破壞時(shí)原始波形幅值很大，是大幅值高能量的信號特征，其峰值頻率在100kHz左右，這是材料的脆性斷裂特征引起的。聲發(fā)射信號的能量與材料損傷試件產(chǎn)生的缺陷尺寸有關(guān)。當(dāng)裂紋（基體裂紋為主）由穩(wěn)定擴(kuò)展進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展（大量的基體斷裂和纖維束斷裂），釋放的應(yīng)變能足夠大時(shí)，可以聽到材料斷裂爆音（高能量低頻率信號）［7］。

對于C2和C3試件而言，雖然也有高能量低頻率的脆性斷裂信號出現(xiàn)，但與C1試件相比，其脆斷的特征不明顯。圖7中是在這兩種試件都出現(xiàn)的波形信號特征，波形持續(xù)時(shí)間較短，且幅值不大，但其峰值頻率高（600kHz左右），為塑性信號特征，因此C2和C3試件有明顯的非線性趨勢。此外，C3試件還有C2試件不具有的特征波形（圖8所示），此波形在初始損傷階段和損傷破壞階段都有出現(xiàn)，說明和C3試件特有的破壞模式（纖維束／基體界面的剝離）有關(guān)，從波形圖和頻譜圖中可以看出，這種破壞模式也具有塑性信號的高頻率低幅值的特征。

4 結(jié)論

（1）聲發(fā)射技術(shù)對三維編織復(fù)合材料損傷表征和安全性、完整性評價(jià)非常有效。

（2）三維編織復(fù)合材料的壓縮損傷過程可根據(jù)其聲發(fā)射參數(shù)歷程圖和載荷－位移曲線分為四個不同的損傷階段，即初始損傷階段、損傷演化階段、損傷破壞階段和試件失效階段。編織角不同的壓縮試件其損傷階段劃分亦不同。

（3）三維編織復(fù)合材料試件的頻譜分析。揭示了材料損傷基本上是不同類型損傷的組合，很少有單一損傷獨(dú)立發(fā)生。

（4）分析了主要破壞模式相應(yīng)的AE參數(shù)，可用于實(shí)驗(yàn)過程中破壞模式的識別及材料損傷演化過程的研究。

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