聲發(fā)射技術應用于碳纖維板復合材料損傷檢測研究

曹玉祥 安璐 李志強 容禹

摘 要：聲發(fā)射（Acoustic Emission簡稱“AE”），是材料變形或破壞時積蓄起來的應變能所釋放聲音能量的傳播現(xiàn)象。大量的聲發(fā)射信號，會產生在碳纖維復合材料拉伸損傷過程中。本文通過對聲發(fā)射（AE）信號的數(shù)據(jù)進行分析，研究碳纖維復合材料的損傷演變規(guī)律;對于碳纖維復合材料之細微變形及應變能的變化，聲發(fā)射（AE）技術可以比傳統(tǒng)百分表、應變儀技術能夠超前檢測出來，因此聲發(fā)射（AE）技術看成為預測、分析碳纖維復合材料中動態(tài)構造變化的實用方法。將聲發(fā)射（AE）技術應用于碳纖維板（CFRP）復合材料的使用狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測中，可以在抗震防災及工程結構安全可靠度領域中應用國際先進的工程結構使用壽命健康檢測體系，使得抗震防災及工程結構安全可靠度領域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結構的系統(tǒng)性安全產生科學有效的保障效應。

關鍵詞：聲發(fā)射;碳纖維復合材料;工程結構使用壽命

Abstract：Acoustic Emission（AEousion for short）is a propagation phenomenon of sound energy released by strain energy accumulated when materials are deformed or destroyed.A large number of acoustic emission signals will be generated during the carbon fiber composite tensile damage.In this paper，by analyzing the data of acoustic emission（AE）signals，the damage evolution law of carbon fiber composites is studied.For the fine deformation of carbon fiber composites and the change of strain energy，acoustic emission（AE）technology can be compared with traditional dial gauges and strains.Instrument technology can be detected in advance，so acoustic emission（AE）technology is seen as a practical method for predicting and analyzing dynamic structural changes in carbon fiber composite materials.Applying Acoustic Emission（AE）technology to the dynamic monitoring of the use status of CFRP composite materials，it can apply the international advanced engineering structure life and health detection system in the fields of earthquake resistance and disaster prevention and engineering structure safety and reliability，making the earthquake resistant The systematic safety of a large number of important engineering structures such as houses，bridges，slopes，and underground engineering in the field of disaster prevention and engineering structure safety and reliability has produced scientific and effective guarantee effects.

Key words：acoustic emission;carbon fiber composite materials;service life of engineering structures

目前，聲發(fā)射檢測是碳纖維復合材料的損傷檢測主要方法之一，聲發(fā)射檢測，是一種在碳纖維復合材料的損傷檢測領域有待開發(fā)的被動檢測方式。聲發(fā)射檢測利用材料在局部受力作用下，產生能量快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的特征，配之以彈性波記錄的分析，揭示材料內部在外界載荷作用下產生的變形、裂紋形成以及裂紋的擴展、斷裂等現(xiàn)象。由于可以在線實時監(jiān)測，不影響設備的運行，也不受材料加工形狀及表面結構的影響，聲發(fā)射檢測技術因此成為了復合材料損傷分析中一種重要的分析技術。

1 實驗過程

1.1 實驗原理

對普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復合材料的梁的抗彎強度進行對比，分析新型碳纖維復合材料對鋼筋混凝土梁的強度提高情況;使用聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡稱“AE”）技術，是一種能實時監(jiān)測復合材料混凝土梁的內部損傷與擴展的動態(tài)狀況。

1.2 材料與試樣及實驗主要設備

（1）選擇日本東麗公司生產的T300型環(huán)氧樹脂基碳纖維復合板，斜紋編織鋪層結構，纖維體積含量40%;“固特棒”結構碳纖維復合板專用膠，垂流度1～0，抗壓強度89.7MPa，拉伸抗剪強度89.7MPa正拉粘結強度4.2MPa。

（2）加載設備，拉桿、分配梁、反力鋼梁、千斤頂測力計。

（3）數(shù)字靜態(tài)電阻應變儀（DH3818-2）。

（4）聲發(fā)射儀器：Disp型數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)，美國物理聲學公司（PAC）;傳感器型號為SR40-RIC，前置放大器增益為40dB，帶通頻率為10KHZ～2.5MHZ。

（5）CMOS相機：MER-500-7UM-L型，中國大恒（集團）有限公司。

1.3 實驗進程

根據(jù)圖3所示，試件在對于預應力碳纖維板復合材料拉伸過程中，根據(jù)AE產生的幅度值、撞擊累積數(shù)隨時間的變化歷程數(shù)據(jù)現(xiàn)象，材料的損傷可以劃分成為三個階段。第一階段，為損傷初始階段：在20s之前的實驗時間，AE信號基本檢測不到;實驗時間達到20s左右，幅度值高于40dB的AE信號開始出現(xiàn);當高于90dB的AE信號出現(xiàn)時，表明材料撞擊累積數(shù)上升緩慢。鑒于AE信號不穩(wěn)定性，加載初期外界環(huán)境產生的噪聲信號干擾導致一些高幅度值AE信號產生，此階段的材料損傷模式，主要是碳纖維板復合材料內部工藝缺陷和微小裂紋，在小載荷作用下形成的損傷;同時，試件有少量基體開裂，以及與邊緣的纖維微損傷現(xiàn)象產生。第二階段作為損傷累積階段，此階段AE事件持續(xù)性增加，而撞擊累積數(shù)也平穩(wěn)遞增。此階段AE事件的幅度值主要集中于40dB～100dB之間，實驗的時間是在40s～160s之間;試件內部，由于基體開裂與纖維束/基體間脫粘，從而造成的損傷現(xiàn)象是持續(xù)加重。第三階段，為損傷破壞階段：實驗時間在160s～200s，AE現(xiàn)象增加急劇，表明撞擊累積數(shù)迅速升高，伴隨著基體開裂、纖維束/基體脫粘以及纖維斷裂等多種損傷的發(fā)生;加載到200s左右，碳纖維板試件徹底斷裂現(xiàn)象產生。

圖3 碳纖維板試件AE幅值、撞擊累積數(shù)、時間的變化關系

2 結果與分析

如圖6所示，碳纖維板復合材料試件在拉伸載荷作用下，AE持續(xù)時間、AE幅值隨時間動態(tài)變化的情況，反映出在試件加載初期AE信號持續(xù)時間短、幅值低，這可能與碳纖維板復合材料試件內部少量基體和邊緣部分纖維損傷有關。在實驗進入損傷累積階段后，高幅值的AE事件明顯增加很多，也有一些低幅值的AE信號出現(xiàn)，在這一階段碳纖維板復合材料基體損傷程度明顯加重，同時伴隨纖維/基體的脫粘。進入材料的損傷破壞階段，纖維是復合材料拉伸方向荷載的主要承擔者。當試件面臨失效時，AE的信號持續(xù)時間急劇增加，直至達到峰值幅值，當AE的信號達到最大值時，碳纖維板中的纖維斷裂，導致碳纖維板復合材料試樣最終破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 結論

對于某抗震防災工程結構的混凝土梁中、碳纖維板復活材料在單軸受壓狀態(tài)下聲發(fā)射現(xiàn)象的分析，依據(jù)聲發(fā)射過程，得到了碳纖維量化的損傷結果，并以Kaiser效應和Felicity效應進行分析。理論與試驗結果表明：運用聲發(fā)射技術進行碳纖維復活材料損傷評估，能夠了解碳纖維復活材料內部裂縫形成與開展的過程，定量識別碳纖維復活材料損傷的大小，聲發(fā)射技術因此是一種簡便、快捷的動態(tài)方法。由于不需要了解碳纖維復活材料未損傷狀態(tài)時的物理參數(shù)，故對于工程資料不全或者缺失的工程結構，判定碳纖維復活材料曾經(jīng)承受的最大應力歷史，評估混凝土結構的損傷狀況、評估混凝土結構曾經(jīng)承受的最大應力，應用聲發(fā)射技術是有效可行的。如圖7所示，實驗在拉伸荷載的作用下，AE持續(xù)時間和幅度值隨時間變化情況。在實驗試件的加載初期，AE信號持續(xù)時間短、幅值低，這可能與碳纖維板復活材料試件內部少量基體和邊緣部分纖維損傷有關;進入損傷累積階段，高幅度值的AE現(xiàn)象增多明顯，但也有一些低幅值的AE信號產生;在此階段，碳纖維板復活材料基體損傷程度加重，同時伴隨纖維/基體的脫粘;在實驗進入損傷破壞階段，碳纖維板復活材料中的纖維，是復合材料拉伸方向荷載的主要承擔者;當AE信號的持續(xù)時間增加急劇、直至達到峰值幅度值的現(xiàn)象產生，表明實驗試件即將要失效。AE信號增加到最大值時，纖維斷裂導致碳纖維板復活材料試樣最終破壞。

以上實驗現(xiàn)象，聲發(fā)射技術應用于碳纖維復合材料損傷演變規(guī)律的監(jiān)測得出如下結論：（1）碳纖維板復活材料加載之后，試件中纖維/樹脂界面發(fā)生剝離的同時，由材料缺陷或殘留應力引起的應力集中部位出現(xiàn)局部纖維拉斷;（2）當碳纖維板荷載接近破壞強度時，試件中的纖維開始拉斷，由于纖維界面強度不是很高，裂紋向纖維方向擴展。高溫硬化型碳素纖維強化（CFRP）的情況下，由于樹脂是脆性的，纖維開始發(fā)生破壞時便立即破壞;（3）本次材料實驗破壞屬于拉張型破壞，破壞面是由樹脂覆蓋的，很明顯破壞在樹脂中進行。

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科技基金及計劃項目：貴州省科技基金項目（黔科合J字[2010]2040號）;貴州省科技計劃項目（黔科合GY字[2011]3042號）;貴陽市科技計劃項目（筑科合同[2011101]1-44號）

作者簡介：曹玉祥（1964-），男，碩士，高級工程師，主要從事無損檢測、工程材料分析及設計等方面研究;安璐，李志強，容禹，分別為高級工程師、工程師，主要從事機械原理研究設計、工程材料分析等方面研究。