T700型碳纖維復(fù)合材料拉伸損傷的聲學(xué)評價方法

， ， ，

(1.東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.中國石化華東石油工程有限公司 江蘇鉆井公司，揚州 225261;3.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 大慶 163318)

纖維復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、耐腐蝕、抗高溫及重量輕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高精尖科研領(lǐng)域和其他行業(yè)中[1]。但由于復(fù)合材料長期在惡劣環(huán)境中工作，容易產(chǎn)生目視無法發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部損傷，復(fù)合材料的力學(xué)性能和使用壽命急劇下降，嚴重影響了使用性和可靠性[2]。因此，開展有效的檢測方法，研究復(fù)合材料的損傷機理，實現(xiàn)復(fù)合材料的損傷評價顯得尤為重要。

目前，復(fù)合材料損傷檢測常用的方法有[3]：超聲檢測、X射線檢驗、微波檢測、聲-超聲檢測和聲發(fā)射檢測等。相比其他檢測方法，聲發(fā)射檢測法可實現(xiàn)動態(tài)全程監(jiān)測，并且可以定位損傷區(qū)域，評估損傷的嚴重程度，已逐漸成為復(fù)合材料完整性評價的重要檢測手段[4-6]。聲發(fā)射的凱賽爾效應(yīng)和Felicity效應(yīng)對重復(fù)加載和卸載聲發(fā)射的特性有重要影響，反應(yīng)了材料的受載歷史[7]。Felicity比是指重復(fù)加載時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的載荷PAE與前次施加的最大載荷Pmax之比?；矢繜樀萚8]通過加卸載試驗研究了Felicity效應(yīng)，其結(jié)果表明Felicity比作為一種定量參數(shù)，能較好地反應(yīng)復(fù)合材料中損傷的嚴重程度，可以作為損傷嚴重性的重要評定判據(jù)[9]。近年一種新型的超聲檢測方法引起了研究者的關(guān)注，即非線性超聲檢測技術(shù)。該種方法是一種對材料微觀結(jié)構(gòu)損傷變化的評估。SAGAR，BABY等[10-11]通過研究表明，材料早期力學(xué)性能退化與超聲波在材料中產(chǎn)生的非線性作用密切相關(guān)。因此，可以通過測量非線性參量，有效地表征材料早期損傷過程中微缺陷的變化和評估材料性能的退化程度。

筆者對T700型碳纖維復(fù)合材料進行了加卸載試驗。試驗過程中利用聲發(fā)射參量分析方法，并結(jié)合Felicity比和相對非線性系數(shù)，分析了不同損傷階段的聲發(fā)射信號特征。通過比較Felicity比和相對非線性系數(shù)之間的變化趨勢，為復(fù)合材料損傷過程的無損評價與檢測技術(shù)提供了新的思路。

1 非線性理論

研究發(fā)現(xiàn)，當單一頻率的聲波進入材料時，超聲波受介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變非線性關(guān)系的影響，將發(fā)生強非線性失真，超聲非線性響應(yīng)信號增強，產(chǎn)生二次諧波[12-13]。假設(shè)僅考慮一維縱波進入到固體介質(zhì)中，CANTRELL等建立了固體介質(zhì)的非線性波動方程[14-15]。

(1)

式中：ρ0為介質(zhì)密度；x為聲波傳播距離；u為介質(zhì)內(nèi)位于x點質(zhì)點的位移；t為運動時間；K2為二階彈性常數(shù)；K3為三階彈性常數(shù)。

運用微擾法[16-17]，求得一維非線性方程的近似解

u=u(0)+u(1)=A0sin(kx-ωt)-

(2)

式中：k=ω/c為波數(shù)；ω為角頻率；A0為初始基波振幅；t為傳播時間。

基波幅值為

A1=A0

(3)

二次諧波幅值為

(4)

可得出非線性系數(shù)表達式為

(5)

若入射聲波頻率和傳播距離是定值，則非線性系數(shù)僅與基波幅值和二次諧波幅值有關(guān)，即

(6)

2 試驗過程

2.1 試樣制備

試件尺寸示意如圖1所示。試件所用的材料為T700型環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料板(簡稱CFRP)，機械加工為I型試樣，分別以[0°/90°]和[0°]兩種鋪層方式制備復(fù)合材料試樣板，層數(shù)為13。為了防止夾具破壞試樣，在試樣兩端用樹脂膠黏貼鋁板加強片。

圖1 試件尺寸示意

2.2 試驗系統(tǒng)

T700型碳纖維復(fù)合材料加卸載試驗系統(tǒng)由三部分組成，CMT-5000萬能試驗機，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，非線性檢測系統(tǒng)。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)由PAC公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射檢測儀，2/4/6型前置放大器，兩個WD(寬頻)型傳感器組成。聲發(fā)射采集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：前置放大器增益值為40 dB，門檻值為40 dB,采樣率為1 MPS(每秒采樣百萬次),撞擊閉鎖時間(HLT)為800 μs，峰值定義時間(PDT)為200 μs，撞擊定義時間(HDT)為400 μs。非線性檢測系統(tǒng)使用的是美國RETIC公司生產(chǎn)的 RAM-5000 SNAP 非線性超聲檢測系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)包括衰減器、高低頻濾波器、信號放大器、示波器、傳感器和計算機。圖2為加卸載試驗系統(tǒng)框圖。

圖2 加卸載試驗系統(tǒng)框圖

2.3 測量方法

非線性超聲試驗采用透射法，以寬頻接收方式采集超聲信號來進行基波和二次諧波的測量。非線性超聲檢測系統(tǒng)內(nèi)部信號發(fā)生器產(chǎn)生單一頻率的脈沖串作為射頻信號，經(jīng)衰減器衰減，電壓調(diào)整到適用的范圍內(nèi)，再經(jīng)低頻濾波器去掉高頻成分后，激勵發(fā)射傳感器產(chǎn)生超聲波信號進入試件。聲波信號與試件發(fā)生非線性作用后，被另一側(cè)的寬帶傳感器接收，信號中包含基波和高次諧波成分。接收信號分為兩路，一路信號直接返回非線性系統(tǒng)內(nèi)部；另一路信號經(jīng)過高頻濾波器和前置放大器處理后，返回非線性測試系統(tǒng)。利用計算機對接收信號進行快速傅里葉變換，測量出信號的基波和二次諧波的幅值，進而計算出非線性系數(shù)。

為了減少自身和隨機因素產(chǎn)生的諧波干擾，采用Hanning窗調(diào)制，使信號邊頻帶平滑，減少射頻信號中高次諧波成分。在厚度方向上所容納的周期數(shù)應(yīng)使發(fā)射信號與接收信號不發(fā)生重疊，多次試驗后，最終確定周期數(shù)為3。由于非線性試驗的特殊性，采用定制探頭。為了使發(fā)射頻率盡量單一，非線性試驗發(fā)射端采用窄頻探頭，中心頻率選擇2.25 MHz。接收端需要接收基頻和倍頻信號，因此選用寬頻探頭，中心頻率選擇3.5 MHz。圖3為接收端采集的基波和二次諧波時域信號，圖4為基波和二次諧波頻域信號。

圖3 基波和二次諧波時域信號

圖4 基波和二次諧波頻域信號

2.4 試驗方法

按照試驗要求，合理地組裝試驗裝置，搭建試驗平臺(見圖5)。將試件加持在拉伸機上，檢查夾具是否符合要求，按照要求布置傳感器(見圖6)。在試件工作段內(nèi)一側(cè)兩端布置聲發(fā)射傳感器，要求傳感器中心在一條直線上，用絕緣膠帶固定，以真空脂作為耦合劑；在試件中心位置兩側(cè)對稱布置非線性超聲換能器，以甘油作為耦合劑。試驗開始前，用鉛芯斷裂法(按標準QJ 2914-97) 對聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進行標定。

圖5 聲學(xué)試驗系統(tǒng)裝置外觀

圖6 傳感器布置方式

圖7 加卸載曲線

未進行加載試驗前，采用有限振幅法測量超聲波與試件相互作用產(chǎn)生的基波和二次諧波幅值作為特征信號，利用式(6)計算試件的相對非線性系數(shù)β0，作為試驗數(shù)據(jù)處理的標準。然后按照加卸載曲線(見圖7)進行加卸載試驗，控制方式采用位移控制，速率為1 mm·min-1，在每一載荷水平下進行兩次加載和卸載。初始加載載荷為12 kN，保載時間為5 min，然后卸載至3 kN，保載時間1 min，再次加載至12 kN，保載時間為3 min。在第二次保載階段測量基波和二次諧波幅值，計算試件的相對非線性系數(shù)β，測量兩次，各自取平均值。重復(fù)以上試驗，加載級差為10 kN，加載至72 kN停止試驗，然后以1 mm·min-1的速率進行卸載，到試件不承受載荷為止。在每一次循環(huán)加卸載試驗時，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)從加載前開始監(jiān)測，至二次保載開始前暫停采集，待下次加載前恢復(fù)采集。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 非線性特性分析

為了確保試驗測得的非線性信號是與試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的，而不是由系統(tǒng)引入的，通過分析不同激勵電壓對諧波幅值的影響來驗證試驗系統(tǒng)的可靠性。利用試驗裝置，測量同一試件在不同輸入壓力作用下的基波和二次諧波幅值。為了保證試驗的準確性，在同一試驗條件下測量兩次，然后對所得數(shù)據(jù)進行線性擬合(見圖8)。由圖8可知，不同的激勵電壓下，二次諧波與基波幅值的平方具有很高的線性度。說明試驗裝置前端未引入非線性信號，系統(tǒng)穩(wěn)定，可以進行下一步非線性系數(shù)的測量。

圖8 二次諧波幅值與基波幅值二次方的關(guān)系曲線

對非線性檢測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分別計算兩種不同鋪層方式下復(fù)合材料的相對非線性系數(shù)隨載荷的變化曲線(見圖9)。從圖9可以看出，隨著載荷的增加，不同鋪層方式的非線性系數(shù)都快速上升，這說明非線性系數(shù)對于復(fù)合材料力學(xué)性能的退化有很高的敏感性。

圖9 不同鋪層試件的非線性系數(shù)與載荷的關(guān)系曲線

通過圖9還可以看出，不同鋪層方式的復(fù)合材料在相同載荷的作用下，測量得到的相對非線性系數(shù)不相同，[0°/90°]鋪層的相對非線性系數(shù)均比[0°]鋪層的大，這說明相同載荷作用下，相比于單向鋪層試件，多向鋪層的復(fù)合材料損傷程度較大。鋪層方式對損傷模式影響較大，但僅僅利用非線性系數(shù)無法定量評估不同載荷下?lián)p傷的類型和嚴重性。

3.2 聲發(fā)射特性分析

在進行Felicity效應(yīng)的試驗結(jié)果分析時，對Felicity效應(yīng)判斷的關(guān)鍵是如何定義“明顯”的聲發(fā)射。因此美國增強塑料聲發(fā)射監(jiān)測委員會(CARP)推薦了相關(guān)標準來定義明顯聲發(fā)射事件，并據(jù)之計算Felicity比[6]。

圖10為[0°/90°]鋪層方式試件的聲發(fā)射幅值和載荷隨時間的變化。從圖10可以看出，隨著載荷的不斷加大，聲發(fā)射事件計數(shù)明顯增多，且高幅值信號占比變大，說明損傷加劇。初次加載至12 kN時，信號幅值均低于65 dB，且恒載期間未見明顯聲發(fā)射信號。卸載后再次加載至12 kN，仍未產(chǎn)生聲發(fā)射信號，說明初次加載對試件未造成明顯損傷。加載至22 kN的過程中，以CARP推薦的強聲發(fā)射準則為依據(jù)，當載荷達到15 121 kN時滿足條件，得到此時的Felicity比為1.26。重復(fù)此方法，得到Felicity比與載荷的關(guān)系，F(xiàn)elicity比隨載荷的變化曲線及載荷與位移的變化曲線如圖11所示。

圖10 [0°/90°]鋪層方式試件的聲發(fā)射幅值和載荷隨時間的變化

圖11 Felicity比隨載荷的變化曲線及載荷與位移的變化曲線

從載荷-位移曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在每次循環(huán)加卸載過程中，二次加載的曲線斜率明顯比初始加載的曲線斜率大，而當下一次循環(huán)加載開始后，所加載荷大于上次所加最大載荷時，曲線斜率又基本與初次加載曲線斜率相同。這說明在加卸載試驗過程中，碳纖維復(fù)合材料層合板與金屬材料相同，也表現(xiàn)出了加載硬化現(xiàn)象。

每次循環(huán)加載過程中，加載過程曲線和卸載過程曲線近似重合，說明加卸載過程中力學(xué)性能變化不大，很少有新的損傷產(chǎn)生。隨著載荷的增加，曲線重合度降低，說明加載后期損傷嚴重，力學(xué)性能變化較為明顯，加卸載過程中新的損傷明顯增多。

從圖11還可看出，隨著載荷的不斷增加，F(xiàn)elicity比下降趨勢較為明顯。為了更好地說明不同階段內(nèi)Felicity比與材料內(nèi)部損傷嚴重程度的關(guān)系，對試驗過程中采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。利用試驗數(shù)據(jù)，繪制了不同加載時間段內(nèi)不同幅值區(qū)間的聲發(fā)射事件計數(shù)比例分布，幅值參數(shù)區(qū)間分別為小于60 dB，60～80 dB，80～100 dB，試件不同加載區(qū)間、不同幅值區(qū)間事件計數(shù)百分比如圖12所示。圖13為聲發(fā)射信號幅值-能量關(guān)聯(lián)圖。

圖12 試件不同加載區(qū)間、不同幅值區(qū)間事件計數(shù)百分比

圖13 幅值能量關(guān)聯(lián)圖

根據(jù)不同損傷階段內(nèi)Felicity比變化趨勢和聲發(fā)射信號的參數(shù)特性，得出如下結(jié)論：幅值分布區(qū)間在40～100 dB，低幅值信號試件計數(shù)占比較大且分布密集，但能量值較低，且Felicity比值均大于1。說明在此幅值范圍內(nèi)發(fā)生的損傷頻繁且種類較多，此階段內(nèi)試件自身存在的多種缺陷受拉力的作用進一步擴展，導(dǎo)致大量基體裂紋的產(chǎn)生。隨著載荷的增加，中振幅信號所占比例呈增大趨勢，信號的能量明顯增加。這是由于90°鋪層內(nèi)拉力方向與纖維方向垂直，層內(nèi)纖維與基體弱結(jié)合部位脫黏而產(chǎn)生裂紋。加載后期，高幅值信號逐步增加，而聲發(fā)射能量劇增到最大。Felicity比下降趨勢更加明顯，最低值為0.78。由于基體材料的承載能力遠低于纖維的，加載后期基體早已失效，纖維成為直接承載體。90°鋪層中的纖維從基體中抽拔出來，0°鋪層中的少量纖維發(fā)生斷裂。

圖14 Felicity比和歸一化相對非線性系數(shù)與載荷的關(guān)系曲線

圖14為兩種鋪層方式試件的Felicity比和相對非線性系數(shù)與載荷之間的關(guān)系。通過分析Felicity比與載荷的變化關(guān)系，可以看出在相同載荷作用下，[0°]鋪層試件的Felicity比均大于[0°/90°]鋪層試件的Felicity比。根據(jù)Felicity比的定義，說明相同載荷施加在相同尺寸的試件上時，正交層合板始終比單向?qū)雍习宓膿p傷程度更加嚴重。從圖14可以看出，兩種鋪層方式試件的相對非線性系數(shù)隨著載荷的增加呈現(xiàn)上升趨勢，F(xiàn)elicity比隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降趨勢，二者曲線的變化規(guī)律表現(xiàn)一致。這說明Felicity比和相對非線性系數(shù)可以有效地評價試件的損傷程度。

4 結(jié)論

(1) 通過試驗得出Felicity比隨載荷的變化曲線，結(jié)合不同加載時間段幅值的分布圖和幅值-能量關(guān)聯(lián)圖，統(tǒng)計出在碳纖維復(fù)合材料加卸載試驗中不同時間區(qū)間內(nèi)聲發(fā)射參數(shù)的分布規(guī)律，并分析出不同損傷階段內(nèi)的聲發(fā)射特性。

(2) 隨著載荷的增加，相對非線性系數(shù)變化趨勢明顯?？梢钥闯鱿鄬Ψ蔷€性系數(shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能退化較為敏感。

(3) 通過時域歷程分析，可得出損傷的動態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合聲發(fā)射Felicity比變化趨勢的分析，可得出結(jié)論：相對非線性系數(shù)可以表征材料中原先所受損傷或結(jié)構(gòu)缺陷的嚴重程度，后者可以作為試件靜力拉伸試驗過程中損傷嚴重性的新的重要評定判據(jù)。但目前該方法只能實現(xiàn)對缺陷的定性分析，尚不能建立材料力學(xué)性能與非線性系數(shù)的量化模型。