碳纖維編織復(fù)合材料彎曲損傷破壞聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

張鵬飛 商雅靜 周偉 趙文政

摘要：為研究碳纖維編織復(fù)合材料的彎曲損傷與破壞行為，結(jié)合聲發(fā)射（AE）與數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)復(fù)合材料在四點(diǎn)彎曲載荷作用下的失效過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)獲取AE特征信號(hào)和對(duì)應(yīng)的散斑圖像，并根據(jù)DIC算法得到復(fù)合材料在加載過程中的全場(chǎng)變形和應(yīng)變。結(jié)果表明：AE信號(hào)在碳纖維編織復(fù)合材料中近似呈指數(shù)衰減，與諧振式AE傳感器相比，寬頻帶式AE傳感器表現(xiàn)出更好的測(cè)量性能;復(fù)合材料彎曲加載前期，無(wú)明顯損傷出現(xiàn)，AE信號(hào)較少，對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)變化平穩(wěn);復(fù)合材料彎曲破壞對(duì)應(yīng)較高持續(xù)時(shí)間、幅度和相對(duì)能量的AE信號(hào)。復(fù)合材料損傷演化過程的AE響應(yīng)行為及對(duì)應(yīng)位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的變化反映復(fù)合材料的變形與損傷破壞過程，為碳纖維編織復(fù)合材料的無(wú)損評(píng)價(jià)、健康監(jiān)測(cè)與失效分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：碳纖維編織復(fù)合材料;四點(diǎn)彎曲;聲發(fā)射;數(shù)字圖像相關(guān)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）05-0047-07

收稿日期：2018-04-05;收到修改稿日期：2018-05-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（11502064）;河北省自然科學(xué)基金（E2016201019）

作者簡(jiǎn)介：張鵬飛（1994-），男，河北石家莊市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閺?fù)合材料聲發(fā)射檢測(cè)。

通信作者：周偉（1980-），男，河南信陽(yáng)市人，教授，博士，主要從事復(fù)合材料聲學(xué)及光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。

0 引言

碳纖維編織復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)良特性，在航空航天及民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，在長(zhǎng)期服役過程中，由于受到面外沖擊，復(fù)合材料常常會(huì)出現(xiàn)基體開裂，纖維脫粘，纖維失效等多種損傷[3]。因此，研究彎曲載荷下碳纖維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能和損傷破壞機(jī)理對(duì)保證復(fù)合材料服役過程中的結(jié)構(gòu)健康具有重要意義[4-5]。

聲發(fā)射（acoustic emission，AE）檢測(cè)技術(shù)通過分析采集的聲發(fā)射信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)缺陷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并記錄其損傷的萌生與演化[6-8]。張志強(qiáng)等[9]通過斷鉛實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合小波變換進(jìn)行對(duì)AE特征參數(shù)和損傷源定位試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：AE計(jì)數(shù)、能量和有效值對(duì)斷鉛具有較高的檢測(cè)靈敏度;并驗(yàn)證利用小波變換去噪和多通道AE系統(tǒng)定位的可行性。Mahdian A等[10]對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)并記錄期間的AE信號(hào)，提出基于AE小波變換方法可以預(yù)測(cè)總損傷面積，并驗(yàn)證AE小波變換方法可以有效表征沖擊載荷下復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)損傷。

針對(duì)碳纖維編織復(fù)合材料彎曲損傷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。龍憲海等[11]對(duì)碳纖維復(fù)合材料彎曲損傷破壞過程中產(chǎn)生的AE信號(hào)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明AE信號(hào)的累計(jì)撞擊數(shù)可有效地描述復(fù)合材料試樣在彎曲加載下的損傷演化過程。Liu等[12]在不同溫度下對(duì)具有初始層間裂紋的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行不同搭接方式的彎曲實(shí)驗(yàn)，通過分析AE響應(yīng)過程，比較加載條件和初始層間裂紋長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料損傷和分層的影響，表明最初的層間裂紋會(huì)隨著分層擴(kuò)展而加劇復(fù)合材料的層間損傷。數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation，DIC）方法是一種對(duì)全場(chǎng)變形、應(yīng)變、運(yùn)動(dòng)的非接觸測(cè)量手段[13]。Murthy等[14]采用DIC方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，證明局部橫向應(yīng)變可以作為疲勞損傷演化的指標(biāo)。余海燕等[15]對(duì)碳纖維與異質(zhì)材料的粘接搭接試樣進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，結(jié)合DIC方法對(duì)接頭的面內(nèi)應(yīng)變和法向變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究表明碳纖維粘接搭接接頭的宏觀失效存在碳纖維板纖維斷裂、粘接層剪裂、撕裂、粘接界面破壞等多種破壞形式?？梢?，結(jié)合AE與DIC互補(bǔ)技術(shù)，為研究碳纖維編織復(fù)合材料的彎曲損傷破壞提供了有效途徑。

本文首先利用兩種傳感器進(jìn)行AE信號(hào)衰減測(cè)量實(shí)驗(yàn)，比較兩種傳感器的特性;在此基礎(chǔ)上，結(jié)合AE和DIC互補(bǔ)技術(shù)監(jiān)測(cè)碳纖維編織復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的破壞失效過程，研究復(fù)合材料損傷演化過程中AE響應(yīng)特性以及表面變形場(chǎng)，為復(fù)合材料的健康監(jiān)測(cè)與無(wú)損評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 復(fù)合材料試件制備

實(shí)驗(yàn)中用碳纖維編織復(fù)合材料以12層6K正交編織的碳纖維平紋編織布鋪成200mm×200mm的層合板，再按照100：34的質(zhì)量比配置環(huán)氧樹脂和固化劑的混合液，保持室溫條件，采用真空灌注的方法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行鋪灌，然后放置48h，再將其放入100℃的真空干燥箱持續(xù)8h進(jìn)行固化，最后冷卻至室溫，按照實(shí)驗(yàn)要求，加工成尺寸為180mm×25mm的試件，試件厚度為（4.6±0.1）mm。為了對(duì)復(fù)合材料位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，在試件側(cè)面噴涂180mm×4.6mm人工散斑。

1.2 傳感器AE衰減特性

以Φ0.5mm鉛芯為模擬AE源，利用AMSY-5全波形AE設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄AE信號(hào)。分別采用的VS150-RIC型諧振式傳感器（100～450kHz，內(nèi)置前置放大增益為34dB）和RS-54A型寬頻帶式傳感器（100900kHz，外接前置放大增益為40dB），設(shè)置中心頻率為150kHz，采樣頻率為10MHz，門檻值為40dB。利用凡士林將傳感器與試件之間耦合。將傳感器分別置于距模擬AE源40mm、80mm、120mm、160mm位置處進(jìn)行碳纖維編織復(fù)合材料衰減測(cè)量。

碳纖維編織復(fù)合材料上兩種傳感器的AE信號(hào)幅度衰減如圖1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該材料上檢測(cè)到的信號(hào)幅值隨距離的增加表現(xiàn)出類似指數(shù)衰減的特征;對(duì)比兩種傳感器的AE信號(hào)衰減曲線，可以看出寬頻帶式傳感器的幅值衰減明顯小于諧振式傳感器，而且通過誤差棒可以表明在多次重復(fù)測(cè)量下寬頻帶傳感器幅值相對(duì)于諧振式傳感器不確定度較小;因此，寬頻帶式傳感器更適合進(jìn)行碳纖維編織復(fù)合材料四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的AE信號(hào)監(jiān)測(cè)。

1.3 力學(xué)實(shí)驗(yàn)過程

圖2為復(fù)合材料試件四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)操作示意圖，根據(jù)跨厚比為32：1的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將試件跨距設(shè)置為148mm。傳感器放在試件兩端用膠帶將其固定，用凡士林進(jìn)行耦合，傳感器間距為40mm，聲發(fā)射信號(hào)采集門檻設(shè)置為40dB，采樣頻率為3MHz。試驗(yàn)采用位移控制加載，保持加載速率恒定，以5.0mm/min的速率連續(xù)進(jìn)行彎曲加載，用冷光源對(duì)復(fù)合材料試件散斑區(qū)域進(jìn)行照明，使用CMOS相機(jī)每隔0.5s對(duì)散斑圖像進(jìn)行一次采集，直至試件破壞。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料彎曲力學(xué)行為

圖3為碳纖維編織復(fù)合材料試件四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的彎曲載荷-AE能量-時(shí)間曲線。試件的力學(xué)性能曲線表現(xiàn)出良好的線性特征;隨著載荷的增加，復(fù)合材料在彎曲形變的過程中，損傷破壞不斷累積，沿纖維方向產(chǎn)生基體裂紋，基體內(nèi)部出現(xiàn)分層破壞，這主要是由于層間的應(yīng)力超過了粘結(jié)層的強(qiáng)度極限，在此過程中伴隨著層間剝離和層間的粘結(jié)破壞，之后出現(xiàn)纖維/基體界面損傷、分層擴(kuò)展、纖維斷裂等損傷，直至復(fù)合材料試件完全破壞。復(fù)合材料彎曲失效載荷的均值為1.78kN，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.16kN，彎曲強(qiáng)度為25MPa。

復(fù)合材料四點(diǎn)彎曲加載損傷特征如圖4所示，圖4（a）為試件側(cè)面照片，可以看出明顯的分層現(xiàn)象，其原因可能是試件隨著受載的增大，沿纖維方向會(huì)出現(xiàn)基體開裂，經(jīng)過損傷加劇，從而產(chǎn)生分層擴(kuò)展和纖維斷裂等破壞，并最終導(dǎo)致試件斷裂失效;圖4（b）為試件底部照片，表明試件下表面表現(xiàn)出明顯的纖維拔出現(xiàn)象，這種破壞形式的出現(xiàn)是由于試件底部受到拉力的作用，結(jié)合圖4（a）試件上表面出現(xiàn)明顯的壓潰，證明復(fù)合材料在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中承受拉力和壓力雙重載荷的作用。

2.2 彎曲加載下復(fù)合材料的AE分析

結(jié)合圖3 AE能量隨時(shí)間變化曲線可以看出，在碳纖維編織復(fù)合材料彎曲加載的初期階段，損傷較小，能量水平較低，且事件數(shù)也較少;隨著載荷增加，試件出現(xiàn)了一定的損傷破壞，能量逐漸提高，事件數(shù)是也逐步增多;載荷繼續(xù)增加，損傷持續(xù)累積，在160s左右，能量急劇增高，此時(shí)，載荷接近1.89kN，分層損傷擴(kuò)展加劇，試件即將破壞失效，能量達(dá)到峰值4201.5mV·ms。

圖5為復(fù)合材料試件在四點(diǎn)彎曲加載歷程中AE所反映的撞擊累積數(shù)-幅度-時(shí)間圖。試件加載初期，形變較小，可能存在部分噪聲的影響，僅有少量低幅度的信號(hào)出現(xiàn)，撞擊累積數(shù)曲線比較平緩;在加載中期階段，彎曲形變加大，損傷不斷累積，試件表面開始開裂，出現(xiàn)部分4050dB的幅度信號(hào)，撞擊累積數(shù)逐步上升;最終階段，加載約至160s，產(chǎn)生大量70～100dB的高幅度AE信號(hào)，撞擊累積數(shù)快速增長(zhǎng)，呈直線上升趨勢(shì)，試件受載達(dá)到極限，發(fā)生分層演化、纖維斷裂等損傷破壞。

圖6為碳纖維編織復(fù)合材料試件彎曲加載過程中持續(xù)時(shí)間、幅度、時(shí)間變化的三維圖。從AE信號(hào)持續(xù)時(shí)間隨時(shí)間變化過程中可以看出，AE信號(hào)的持續(xù)時(shí)間存在兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在120s時(shí)，此時(shí)試件處于損傷累積階段，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在160s時(shí)，試件正在發(fā)生失穩(wěn)破壞。試件加載初期，存在部分低幅度信號(hào)，持續(xù)時(shí)間集中在1000μs以下;加載持續(xù)增大，聲發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間隨著時(shí)間的增長(zhǎng)也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，與此同時(shí)，信號(hào)幅度也在升高，出現(xiàn)大量高幅度信號(hào)，持續(xù)時(shí)間的范圍擴(kuò)大至1000～6000μs。這些高幅度、高持續(xù)時(shí)間聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)生，揭示了試件纖維/基體界面損傷、分層擴(kuò)展、纖維斷裂等破壞的發(fā)生。由此可以看出，AE信號(hào)的幅度、撞擊累積數(shù)和持續(xù)時(shí)間等特征參數(shù)能較好地對(duì)試件損傷累積和失效破壞過程進(jìn)行描述。

2.3 復(fù)合材料變形與應(yīng)變分析

圖7描述了復(fù)合材料加載方向的位移場(chǎng)變化。為了明確試件在彎曲加載過程中的損傷演化，結(jié)合圖3復(fù)合材料彎曲載荷曲線，分別對(duì)0.85kN、1.35kN、1.65kN和1.85kN載荷水平下的試件在加載方向上的全場(chǎng)變形進(jìn)行分析。根據(jù)圖7，加載方向上位移場(chǎng)的變化中，可以看出，加載方向上的位移隨著載荷的增大而增大，損傷持續(xù)累積，在1.35kN時(shí)裂紋萌生，到了1.65kN時(shí)裂紋擴(kuò)展，當(dāng)載荷增加到1.85kN時(shí)試件最終斷裂失效;除此之外，試件從兩側(cè)到中間位移變形不斷加大，且試件距離破壞失效的位置越接近，位移場(chǎng)的數(shù)值也越大。

采用數(shù)字相機(jī)記錄試件變形前后的圖像，以局域圖像灰度匹配搜索對(duì)變形求解，通過二維DIC方法，利用式（1）確定參考圖像和變形圖像之間的相關(guān)系數(shù)C（u，ν）?；谧畲笙嚓P(guān)系數(shù)，對(duì)變形圖像進(jìn)行計(jì)算，以此可以求得應(yīng)變場(chǎng)[16]。其中f（x，Y）和g（x'，y'）分別是參考圖像和變形圖像的灰度值，f和g是平均灰度值。

由式（1）計(jì)算可以得到圖8所示復(fù)合材料加載方向的應(yīng)變場(chǎng)變化。在整個(gè)加載過程中，彎曲方向上試件受到應(yīng)力，整個(gè)應(yīng)變場(chǎng)呈不規(guī)則分布狀態(tài)，這主要是由于正交的編織復(fù)合材料在纖維相交的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)薄弱部分，這部分區(qū)域的應(yīng)變變化更加明顯;當(dāng)載荷達(dá)到1.65kN時(shí)，試件表面出現(xiàn)了應(yīng)力集中的區(qū)域，這部分區(qū)域應(yīng)變達(dá)到7.722%，預(yù)示著試件即將在此處出現(xiàn)破壞，將載荷繼續(xù)增至1.85kN時(shí)，沿著該區(qū)域試件斷裂失效。由此說(shuō)明，復(fù)合材料的編織方式影響其結(jié)構(gòu)性能，且在彎曲加載過程中，表面受到的應(yīng)力更加集中。綜合位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)信息可以清晰地反映碳纖維編織復(fù)合材料的損傷變形特征。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過AE信號(hào)衰減測(cè)量實(shí)驗(yàn)，表明AE信號(hào)在碳纖維編織復(fù)合材料表面上呈類似指數(shù)衰減的特征，并且經(jīng)過對(duì)諧振式AE傳感器和寬頻帶式AE傳感器檢測(cè)特性的比較，驗(yàn)證了寬頻帶式AE傳感器在聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量中更加優(yōu)異的性能。

在對(duì)碳纖維編織復(fù)合材料彎曲加載的力學(xué)行為研究中可以看出，隨著加載的持續(xù)增大，試件表面受到的應(yīng)力會(huì)更加集中，試件內(nèi)部的層間應(yīng)力也會(huì)逐漸超過粘結(jié)層的強(qiáng)度極限，損傷破壞持續(xù)累積，此時(shí)試件會(huì)出現(xiàn)纖維/基體界面損傷、分層擴(kuò)展、纖維斷裂等損傷，預(yù)示著復(fù)合材料試件完全破壞。碳纖維編織復(fù)合材料彎曲失效載荷均值為1.78kN，彎曲強(qiáng)度為25MPa，試件的力學(xué)性能曲線整體表現(xiàn)出良好的線性特征。

結(jié)合AE檢測(cè)與DIC方法的互補(bǔ)技術(shù)對(duì)碳纖維編織復(fù)合材料在彎曲載荷下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在試件加載前期，復(fù)合材料無(wú)明顯損傷出現(xiàn)，AE信號(hào)較少，對(duì)應(yīng)的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)變化平穩(wěn)，隨試件載荷不斷增加，撞擊數(shù)急劇增多，相對(duì)能量逐漸升高，高幅度、高持續(xù)時(shí)間信號(hào)出現(xiàn)，相應(yīng)的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)也出現(xiàn)了明顯的變化，清楚表現(xiàn)出復(fù)合材料在彎曲加載過程中的受力狀態(tài)和不同位置的受力形式，試件出現(xiàn)分層擴(kuò)展、纖維斷裂等破壞，客觀地認(rèn)識(shí)到試件的損傷變形特征，揭示試件從損傷累積一直到損傷破壞的演化過程。

采用聲發(fā)射和數(shù)字圖像相關(guān)算法相結(jié)合的測(cè)試技術(shù)手段研究了復(fù)合材料損傷演化過程與失效特性，深入了解了復(fù)合材料在彎曲受載過程中的損傷演變機(jī)理，有效地為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)、無(wú)損評(píng)價(jià)、失效分析提供可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊玉娥，閆天婷，任保勝.復(fù)合材料中碳纖維方向和彎曲缺陷的微波檢測(cè)[J].航空材料學(xué)報(bào)，2015，35（6）：91-96.

[2]EKSI S，GENEL K.Three point bending behavior of wovenglass，aramid and carbon fiber reinforced hybrid compositetube[J].Acta Physica Polonica A，2015，128（2B）：59-62.

[3]VERBRUGGEN S，AGGELIS D G，TYSMANS T，et al.Bending of beams externally reinforced with TRC and CFRPmonitored by DIC and AE[J].Composite Structures，2014，112：113-21.

[4]周偉，馬力輝，張洪波，等.風(fēng)電葉片復(fù)合材料彎曲損傷破壞聲發(fā)射監(jiān)測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2011，33（11）：33-37.

[5]張鵬林，李梅，王汝姣，等.風(fēng)電葉片復(fù)合材料在三點(diǎn)彎曲過程中的聲發(fā)射研究[J].工程塑料應(yīng)用，2016，44（4）：21-26.

[6]周偉，田曉，張亭，等.風(fēng)電葉片玻璃鋼復(fù)合材料聲發(fā)射衰減與源定位[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，32（1）：100-104.

[7]PEARSON M，EATON M，F(xiàn)EATHERSTON，et al.Improvedacoustic emission source location during fatigue and impactevents in metallic and composite structures[J].StructuralHealth Monitoring：An International Journal，2016，16（4）：382-399.

[8]劉增華，董拓燦，彭秋玲，等.碳纖維復(fù)合材料板的聲發(fā)射源定位[J].無(wú)損檢測(cè)，2016，38（10）：48-52.

[9]張志強(qiáng)，張國(guó)勝，劉艷芳，等.斷鉛試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)處理與損傷源定位研究[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（8）：17-21.

[10]MAHDIAN A，YOUSEFI J，NAZMDAR M，et al.Damageevaluation of laminated composites under low-velocity impacttests using acoustic emission method[J].Journal of CompositeMaterials，2017，51（4）8：479-496.

[11]龍憲海，王漢功，陽(yáng)能軍.碳環(huán)氧復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲過程聲發(fā)射特性研究[J].振動(dòng)與沖擊，2008，27（1）：43-45.

[12]LIU PF，YANG J，WANG B，et al.A study on the intralaminardamage and interlaminar delamination of carbon fibercomposite laminates under three-point bending using acousticemission[J].Journal of Failure Analysis and Prevention，2014，15（1）：101-21.

[13]郝文峰，陳新文，鄧立偉，等.數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量芳綸纖維復(fù)合材料I型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子[J].航空材料學(xué)報(bào)，2015，35（2）：90-95.

[14]MURTHY H，VENKATACIALAM S.Characterization offatigue induced damage evolution in CFRPs using DIC[J].Failure and Damage Evolution，2016，9（8）：75-82.

[15]余海燕，周辰曉.基于DIC法的CFRP粘接參數(shù)及失效分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2016，32（6）：130-134.

[16]ZHOU W，LU Z H，LI Z Y，et al.Acoustic emission responseand micro-deformation behavior for compressive bucklingfailure of multi-delaminated composites[J].Journal of StrainAnalysis for Engineering Design，2016，51（6）：397-407.

（編輯：劉楊）