蜂窩夾層復(fù)合材料的壓縮損傷聲發(fā)射特征

鄔冠華，劉斯以，吳 偉，鐘靜玲

（1.南昌航空大學(xué)，南昌 330063；2.中航工業(yè)直升機(jī)研究所，景德鎮(zhèn) 333000）

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由上下兩塊高強(qiáng)度的復(fù)合材料層合板面板以及面板間層厚而輕的蜂窩芯體組成。蜂窩夾層復(fù)合材料具有極高的比強(qiáng)度和比剛度，被廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼、地板等大部件［1－2］。目前常用的復(fù)合材料損傷檢測方法有［3］：X射線檢測法、超聲檢測法、聲－超聲檢測法、聲發(fā)射檢測法等。相比其他損傷檢測方法，聲發(fā)射（AE）技術(shù)［4］以實(shí)時監(jiān)測損傷過程為特點(diǎn)，能夠在線監(jiān)測損傷的萌生和破壞過程，是一種有效的檢查動態(tài)缺陷的無損檢測方法，能夠獲得關(guān)于缺陷的動態(tài)信息。

在復(fù)合材料損傷檢測方面，國內(nèi)外研究人員采用聲發(fā)射技術(shù)做了大量研究工工作。耿榮生等［5］論述了基于波形分析的聲發(fā)射信號處理技術(shù)；鄭潔等［6］利用聲發(fā)射對陶瓷基復(fù)合材料及樹脂基復(fù)合材料的靜拉伸試驗(yàn)進(jìn)行全程監(jiān)測，分析材料的損傷形式及其演化過程。李海斌［7］等結(jié)合隨機(jī)漸進(jìn)失效分析方法和聲發(fā)射監(jiān)測對復(fù)合材料單向拉伸試件進(jìn)行損傷分析。Dmitry S Ivanov等［8利用聲發(fā)射技術(shù)描述了碳／環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料拉伸破壞的損傷機(jī)理。Surgeon M 等［9］對SiC／BMAS復(fù)合材料層合板在單向拉伸作用下的損傷進(jìn)行了AE研究，利用AE事件數(shù)、幅值、能量以及持續(xù)時間等參數(shù)，描述不同鋪層的試件損傷演化模式和破壞機(jī)理。

筆者通過對蜂窩夾層復(fù)合材料進(jìn)行靜力壓縮破壞試驗(yàn)，采用聲發(fā)射技術(shù)全程監(jiān)測復(fù)合材料試樣的加載破壞過程，確定復(fù)合材料在壓縮載荷作用下的力學(xué)性能及其相應(yīng)的聲發(fā)射信號特征，揭示蜂窩夾層復(fù)合材料壓縮損傷破壞的變化規(guī)律，為蜂窩夾層復(fù)合材料的損傷預(yù)報和健康監(jiān)測提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用蜂窩夾層復(fù)合材料尺寸為800mm×800mm，蜂窩板厚度30mm。復(fù)合材料蜂窩夾層的蜂窩芯為六邊形，面板為M55JB型碳纖維復(fù)合材料層板，鋪層角度為［90°／0°／90°／0°］。復(fù)合材料試件壓縮在YGD－500型50T電子壓力機(jī)上完成。試樣加載過程中，利用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的8通道PCI－2聲發(fā)射儀采集信號，同時采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的R15α傳感器作為聲發(fā)射信號的接收傳感器，共8個，編號1～8號，耦合劑采用凡士林。在試樣上粘貼9個BA350－3AA型壓力傳感器，分別為a－i號應(yīng)變片。試驗(yàn)設(shè)備圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備圖

2 試驗(yàn)過程

電子壓力機(jī)以1kN／s的速率階梯壓縮加載試樣，每階段保載5s，同時采集壓縮過程中應(yīng)變的大小以及聲發(fā)射信號。聲發(fā)射儀器前置放大器增益為40dB，依據(jù)干擾情況設(shè)定固定門檻值為32dB，傳感器中心頻率150kHz，采樣率設(shè)置為2MHz，采樣長度1k。峰值定義時間（PDT）、波擊定義時間（HDT）和波擊閉鎖時間（HLT）分別是30μs，150μs和300μs。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能

試件整個壓縮過程采用階梯加載，時間載荷曲線如圖2所示。分析發(fā)現(xiàn)，蜂窩夾層復(fù)合材料能夠抵抗60kN以上的壓力，其抗壓性能良好，在64kN左右試樣被完全壓斷?？蛇x取d，e，f號應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得復(fù)合材料壓縮試件應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖中可以看出，蜂窩復(fù)合材料壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈現(xiàn)非線性，曲線斜率沒有發(fā)生明顯的突變。這表明試件在低載荷下就有損傷發(fā)生，損傷的變化是漸進(jìn)的，沒有突發(fā)的較大損傷擴(kuò)展，斷裂時所發(fā)生的變形主要是彈性變形，沒有明顯的塑性變形。

圖2 時間－載荷曲線

圖3 壓縮試件應(yīng)力－應(yīng)變曲線

3.2 特征參數(shù)分析

蜂窩夾層復(fù)合材料試樣在壓縮損傷破壞過程中，根據(jù)聲發(fā)射信號特征分別建立上升時間、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時間、幅值與時間的關(guān)聯(lián)圖，如圖4所示。整個過程大致分為四個階段：

圖4 時間與聲發(fā)射信號的關(guān)聯(lián)圖

第一階段為夾具夾緊時產(chǎn)生的信號。此階段為0～60s，對應(yīng)載荷為0～20kN。在加載初期，有少量聲發(fā)射信號且信號量普遍較低，有少許上升時間較高的信號，少許計(jì)數(shù)較高的信號，少許持續(xù)時間較高的信號；所釋放的能量很小；聲發(fā)射幅值在50dB左右。因此可認(rèn)為此階段信號主要來源于夾具夾緊時所產(chǎn)生的，且此類信號能量較低。

第二階段為基體開裂階段。此階段為60～140s，對應(yīng)載荷為20～40kN。聲發(fā)射事件數(shù)相對較小并且趨于平穩(wěn)；幾乎無大上升時間、大計(jì)數(shù)、大能量、大持續(xù)時間的信號；聲發(fā)射幅值普遍較低，只有少數(shù)高幅值信號；因此，此階段是試樣內(nèi)部工藝缺陷和微小裂紋在小載荷的作用下形成以及試樣在低載荷下的損傷，隨著加載作用力的增大，材料的原始裂紋迅速擴(kuò)展成基體裂紋，并造成基體開裂。

第三階段為基體裂紋擴(kuò)展并分層階段。此階段為140～200s，對應(yīng)載荷為40～52kN。聲發(fā)射事件數(shù)有突發(fā)性增長；有部分大上升時間、大計(jì)數(shù)、大能量、大持續(xù)時間的信號；聲發(fā)射幅值逐漸增大；所釋放的平均能量有明顯增大。在此階段，各種表征信號量表明，試樣內(nèi)部的微小裂紋在不斷加載的情況下出現(xiàn)了平穩(wěn)的擴(kuò)展，說明在基體開裂之后出現(xiàn)了更嚴(yán)重的損傷，由于基體開裂使得層間局部應(yīng)力升高，相鄰層的臨界基體裂紋開始產(chǎn)生并迅速擴(kuò)展，造成相鄰層的脫層，即分層損傷。

第四階段為纖維斷裂階段。此階段為200～243s，對應(yīng)載荷為52～64kN。從聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)可得，出現(xiàn)大量大上升時間、大計(jì)數(shù)、大能量、大持續(xù)時間的信號；聲發(fā)射事件數(shù)在后期有明顯的突變；聲源所釋放的能量在此階段有一次明顯的突增，并且能量很高，隨后逐漸恢復(fù)到較低值。這表明，在此階段，試樣在徹底斷裂前，基體裂紋的擴(kuò)展受到增強(qiáng)纖維的阻止，隨著載荷的不斷增加，最終增強(qiáng)纖維同基體同時斷裂，釋放出很高的能量。由于基體開裂和分層損傷使得材料抗彎性能大大降低，高的彎曲應(yīng)力使得纖維斷裂，纖維斷裂將造成蜂窩復(fù)合材料的整體失效。

3.3 信號濾波分析驗(yàn)證

壓縮試驗(yàn)加載到64kN后斷裂，整個過程持續(xù)243s，共采集到31 206次撞擊信號，將聲發(fā)射信號特征參量與載荷對應(yīng)，得統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

第一階段，上升時間在100～500μs的信號比第二階段多，計(jì)數(shù)在100～500次的信號也比第二階段多，但是能量很低，均小于25μV，持續(xù)時間和幅值普遍較低。第二階段，上升時間大多小于100μs，計(jì)數(shù)均小于100，能量幾乎小于25μV，持續(xù)時間和幅值與第一階段相當(dāng)。第三階段，聲發(fā)射撞擊數(shù)有突發(fā)性增長，相比前兩階段，各種表征信號均有明顯增大。第四階段，聲發(fā)射撞擊數(shù)持續(xù)增長，出現(xiàn)大上升時間、大計(jì)數(shù)、大能量、大持續(xù)時間的信號，上述參量均會較其它損傷階段時的損傷信號的各對應(yīng)值大一個數(shù)量級以上。臨界承載狀態(tài)可以以纖維開始劇烈斷裂為判據(jù)來確定。

根據(jù)壓縮加載過程四個階段的信號特征，進(jìn)行四次濾波，如圖5所示。

表1 各信號特征對應(yīng)載荷內(nèi)的事件數(shù)

圖5 各階段濾波后聲發(fā)射信號分布

從圖5中可以看出，在壓縮加載過程中，聲發(fā)射信號主要來源于蜂窩夾層復(fù)合材料板上、下端，如圖5（a）。第一階段濾波后，濾去由于夾具夾緊時產(chǎn)生的信號，如圖5（b）；第二階段濾波后，濾去基體開裂時產(chǎn)生的信號，如圖5（c）；第三階段濾波后，濾去基體分層時產(chǎn)生的信號，此時的信號即纖維斷裂的信號，如圖5（d），可知信號大多在3號傳感器附近及材料的上端。為了驗(yàn)證檢測結(jié)果，將材料壓縮至斷裂，實(shí)際斷裂結(jié)果如圖6所示。可見，實(shí)際斷裂位置與各階段聲發(fā)射特征參量濾波后所得的信號分布相吻合。

圖6 實(shí)際斷裂位置

4 結(jié)論

采用聲發(fā)射技術(shù)可有效對蜂窩夾層復(fù)合材料壓縮損傷破壞過程進(jìn)行全程監(jiān)測。通過分析加載過程中聲發(fā)射信號的上升時間、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時間、幅值等參量，結(jié)合復(fù)合材料試件壓縮力學(xué)性能及損傷破壞特性，得到如下結(jié)論：

（1）蜂窩夾層復(fù)合材料的抗壓性能良好，用上升時間、計(jì)數(shù)、能量、幅值與時間經(jīng)歷圖的對比，比較清晰地分析了試樣在壓縮破壞過程中的損傷情況。

（2）蜂窩夾層復(fù)合材料的壓縮損傷過程可分為夾具夾緊階段、基體開裂階段、基體裂紋擴(kuò)展并分層階段和纖維斷裂階段。在迅速失效階段，能量的上升情況十分迅速。說明有大量的聲發(fā)射事件發(fā)生，并且釋放出大量的能量。

（3）從總體發(fā)展趨勢可以得到：損傷在載荷遠(yuǎn)小于實(shí)際破壞載荷的情況下就已經(jīng)開始了。初始階段主要是夾具夾緊產(chǎn)生的信號，前期的損傷主要是基體開裂，中期的損傷以層間開裂為主，而后期的損傷形式主要是纖維斷裂。纖維的劇烈斷裂會伴隨著大量的聲發(fā)射信號產(chǎn)生。

（4）根據(jù)蜂窩夾層復(fù)合材料各階段聲發(fā)射信號參量，濾波后所得的信號分布情況與材料實(shí)際斷裂位置相吻合。

［1］ 謝宗蕻，蘇霓，張磊，等.復(fù)合材料蜂窩夾芯板低速沖擊損傷擴(kuò)展特性［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，41（1）：31－35.

［2］ 張廣平，戴干策.復(fù)合材料蜂窩夾芯板及其應(yīng)用［J］.纖維復(fù)合材料，2000，25（2）：25－29.

［3］ Chotard T J.New applications of acoustic emission technique for real－time monitoring of material processes［J］.Journal of Materials Science Letters，2002，（21）：1261－1266.

［4］ 皇甫劭煒，童小燕，姚磊江，等.復(fù)合材料層合板損傷的聲發(fā)射試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2009，28（5）：669－673.

［5］ 耿榮生，沈功田，劉時風(fēng).基于波形分析的聲發(fā)射信號處理技術(shù)［J］.無損檢測，2002，24（6）：257－261.

［6］ 鄭潔，姚磊江，程起有，等.復(fù)合材料損傷的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（11）：1478－1481.

［7］ 李海斌，陽建紅，劉承武，等.復(fù)合材料隨機(jī)漸進(jìn)失效分析與聲發(fā)射監(jiān)測［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2011，28（1）：223－229.

［8］ Dmitry S Ivanov，F(xiàn)abier Baudry， Bj?rn Van Den Broucke，et al.Failure analysis of triaxial braided composite［J］.Composites Science and Technology，2009，69：1372－1380.

［9］ Jeongguk Kim，Peter K Liaw.The nondestructive evaluation of advanced ceramics and ceramic－mareix composites［J］.Composites，1997（28A）：473－480.