高溫環(huán)境下碳纖維復(fù)合材料損傷聲發(fā)射特性研究

李 偉 孫 平 宋佳宇 郭福平 張志遠(yuǎn) 閆孝偉

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司 污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

利用儀器對(duì)材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)、接收、記錄，并利用聲發(fā)射信號(hào)判斷聲源、確定缺陷的嚴(yán)重程度、評(píng)定材料性能和結(jié)構(gòu)完整性的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)［1］。 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用廣泛， 有時(shí)被用于高溫等苛刻的工作環(huán)境中，由于其鋪層方式、界面的存在和在成型過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，使之受力復(fù)雜，加上溫度的影響，會(huì)導(dǎo)致組分性能差異和層間應(yīng)力變化［2］。 聲發(fā)射技術(shù)對(duì)復(fù)合材料損傷過(guò)程信號(hào)存在敏感性，常用于復(fù)合材料的損傷評(píng)價(jià)［3］。

Roundi W等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)是識(shí)別復(fù)合材料層合板在靜態(tài)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)中不同損傷機(jī)制的一種非常有用的方法，且基體微裂紋是最主要的損傷機(jī)制［4］。 Fotouhi M等利用聲發(fā)射信號(hào)特征和基于小波變換的信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)分層試驗(yàn)過(guò)程中的失效機(jī)理進(jìn)行了識(shí)別。 根據(jù)不同頻率范圍內(nèi)的功率譜密度和各成分的能量分布準(zhǔn)則， 對(duì)主要損傷模式進(jìn)行了分類［5］。Pashmforoush F等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)與聚類算法相結(jié)合，可作為夾層復(fù)合材料損傷機(jī)理識(shí)別和分類的有效方法［6］。 栗麗采用多種聚類算法對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸過(guò)程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)DB準(zhǔn)則和輪廓系數(shù)可以作為聚類分析的有效判據(jù)［7］。秦礽等將AE和DIC結(jié)合，以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為研究對(duì)象，對(duì)它在三點(diǎn)彎曲下的屈曲破壞和變形場(chǎng)進(jìn)行分析，利用聚類分析識(shí)別試件損傷模式，結(jié)果表明壓縮載荷下的分層損傷比拉伸載荷下的明顯［8］。 李偉等針對(duì)復(fù)合材料損傷聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)，構(gòu)建小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同損傷模式的識(shí)別，并引入遺傳算法提高網(wǎng)絡(luò)識(shí)別能力［9］。 Gao Y等對(duì)C/SiC試樣施加壓縮靜載荷，并用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)其開(kāi)裂過(guò)程，包括kmeans在內(nèi)的模式識(shí)別技術(shù)可以有效識(shí)別C/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷模式［10］。Zhou W等提出了基于k-means和主成分分析（PCA）的聚類分析方法對(duì)試件屈曲過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)分層缺陷導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能下降，該方法可以有效監(jiān)測(cè)試件的損傷過(guò)程［11］。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了基于聲發(fā)射技術(shù)的復(fù)合材料損傷機(jī)理研究， 但多局限于單一載荷場(chǎng)， 對(duì)于高溫環(huán)境下復(fù)合材料的損傷研究較少。筆者通過(guò)常溫、高溫環(huán)境下的聲發(fā)射拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行損傷分析，利用聲發(fā)射儀器全過(guò)程采集聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)聲發(fā)射參量的經(jīng)歷趨勢(shì)和分布變化進(jìn)行分析研究，結(jié)合PCA和k-means將AE信號(hào)與損傷行為相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下復(fù)合材料損傷特性的有效表征與評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試件

采用鋪層為［0°/±45°/0°/90°］s的碳/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù) 合 材 料 層 合 板 試 樣 （T700）， 尺 寸 規(guī) 格 為400mm×25mm×2mm，加載方式為單向拉伸。 在試件兩端用樹(shù)脂膠粘貼鋁板加強(qiáng)片以防止夾具將試件破壞、拉脫，試件尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 試件尺寸示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置包括：電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)和高溫環(huán)境箱。 其中聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)包括PAC公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)儀、PICO傳感器（中心頻率250kHz，頻率范圍為200～750kHz）、2/4/6前置放大器。 AE參數(shù)設(shè)置為峰值定義時(shí)間100μs， 撞 擊 定 義 時(shí) 間200μs， 撞 擊 閉 鎖 時(shí) 間400μs，采樣率2MSPS，前置放大器增益40dB，門檻值40dB。 自主設(shè)計(jì)高溫環(huán)境箱，環(huán)境箱上下開(kāi)矩形孔，將試件穿過(guò)預(yù)留孔，可以實(shí)現(xiàn)試件大部分面積被加熱，環(huán)境箱外試件部分兩邊緣粘貼傳感器。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將傳感器固定在試件上， 耦合劑為真空脂。采用鉛芯斷裂法（QJ 2914—1997《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件聲發(fā)射檢測(cè)方法》）對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 拉伸實(shí)驗(yàn)裝置（常溫、高溫）如圖2所示，拉伸時(shí)加載速度為0.5mm/min，對(duì)試件連續(xù)加載直至破壞，同時(shí)利用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料的損傷過(guò)程進(jìn)行信號(hào)采集。本實(shí)驗(yàn)選取80℃作為高溫實(shí)驗(yàn)溫度，將采集到的信號(hào)與常溫環(huán)境下采集的信號(hào)做對(duì)比。

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)裝置

2 主成分分析與聚類分析方法

2.1 PCA及k值的確定

基于層次聚類的特征選擇和基于PCA進(jìn)行特征提取。 選取AE信號(hào)的上升時(shí)間、 振鈴計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間、振幅和平均頻率為特征參量。 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，進(jìn)行PCA，方法流程如圖3所示。常溫和高溫?cái)?shù)據(jù)均選取兩個(gè)主成分描述數(shù)據(jù)，且累計(jì)貢獻(xiàn)率可達(dá)95%（圖4）。

圖3 PCA方法流程

圖4 累計(jì)貢獻(xiàn)率圖

采用Matlab對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行k-means聚類。通過(guò)3個(gè)指標(biāo)——Davies-Bouldin（DB）、輪廓系數(shù)和SSE以下，確定簇?cái)?shù)k值［12］。

Davies-Bouldin（DB）：

其中，S是簇內(nèi)距離，d是簇間距離，k是簇?cái)?shù)。DB值低表示聚類良好。

輪廓系數(shù)：

其中，a為樣本i到同簇其他樣本的平均距離，b為樣本i到其他某簇的所有樣本的平均距離。 聚類結(jié)果的輪廓系數(shù)即為所有樣本的S（i）的均值。S（i）接近1，則說(shuō)明樣本i聚類合理。

SSE：

其中，Ni是第i個(gè)簇，s是Ni的樣本點(diǎn)，ci是Ni的中心。

計(jì)算結(jié)果如圖5所示， 綜合各指標(biāo)影響確定常溫下分為4類最優(yōu)，高溫下分為3類最優(yōu)。

圖5 k值選取指標(biāo)圖

2.2 k-means聚類

k-means聚類是利用數(shù)據(jù)集中的所有向量與數(shù)據(jù)集中心的距離平方最小為判定準(zhǔn)則的一種聚類方法［13］。 k-means聚類算法流程如圖6所示。

圖6 k-means算法流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常溫、高溫環(huán)境下試樣的載荷-時(shí)間曲線和聲發(fā)射特性均具有較好的重復(fù)性。 以一組試樣為例，討論在常溫、高溫環(huán)境下的拉伸損傷過(guò)程聲發(fā)射特性。

3.1 宏觀損傷分析

圖7為常溫、高溫下試件宏觀損傷情況。 在常溫拉伸過(guò)程中基體不斷受損，而纖維基本沒(méi)有損傷，引起界面應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料分層破壞；在高溫拉伸過(guò)程中，由于高溫影響使得纖維和基體的結(jié)合力變差，界面氧化衰退，強(qiáng)度降低，樹(shù)脂基體逐漸失效，失去在纖維間傳遞載荷的能力。 系統(tǒng)不穩(wěn)定性增強(qiáng)，纖維基體脫粘繼而引起纖維抽拔和斷裂。 從材料的斷口可以看出，在高溫下材料出現(xiàn)了“劈裂”、“散束”斷裂現(xiàn)象。 顯然，二者宏觀損傷具有較大差別，對(duì)兩種工況的聲發(fā)射信號(hào)特性進(jìn)行分析研究。

圖7 拉斷后的試件

3.2 全局聲發(fā)射分析

碳纖維復(fù)合材料在常溫和高溫環(huán)境下拉伸時(shí)，均在最大載荷時(shí)突然發(fā)生斷裂，高溫下拉伸的斷裂強(qiáng)度略低于常溫， 位移量略大于常溫，表明高溫對(duì)試件的韌性和強(qiáng)度有一定的影響。 經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高溫環(huán)境下的聲發(fā)射撞擊總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常溫下的，說(shuō)明在高溫環(huán)境下微損傷的數(shù)量少于常溫。 另外，從圖8中撞擊計(jì)數(shù)率來(lái)看， 二者加載初期撞擊計(jì)數(shù)率均普遍較低，上升較為緩慢，600s左右開(kāi)始撞擊計(jì)數(shù)率迅速增大，并在850s左右達(dá)到峰值，而后高溫試件的撞擊計(jì)數(shù)率迅速減小，在試樣最終斷裂前撞擊計(jì)數(shù)率保持較小，即“平靜期”。 相比于常溫環(huán)境，高溫環(huán)境下試件的聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)率峰值出現(xiàn)的位置靠前， 且聲發(fā)射信號(hào)平靜期的相對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，平靜期現(xiàn)象明顯（表1）。

圖8 載荷-時(shí)間-撞擊計(jì)數(shù)率歷經(jīng)圖

表1 不同溫度下碳纖維復(fù)合材料拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)于圖8中載荷-時(shí)間曲線， 常溫下的載荷隨著時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，斜率無(wú)明顯變化，加載過(guò)程平穩(wěn)，僅在加載的后期出現(xiàn)了微小抖動(dòng)。 值得注意的是，高溫下該現(xiàn)象（微小抖動(dòng)）的出現(xiàn)早于并多于常溫，由局部放大圖可以看到在387s和466s出現(xiàn)了兩次明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象，并且從聲發(fā)射信號(hào)上看，此時(shí)撞擊計(jì)數(shù)率較高。 由于材料的損傷引起應(yīng)力重新分布導(dǎo)致出現(xiàn)此現(xiàn)象， 這意味著系統(tǒng)出現(xiàn)了不穩(wěn)定的跡象。

從圖9中能量的累計(jì)趨勢(shì)上看， 常溫下累計(jì)能量曲線在700s前信號(hào)呈平穩(wěn)的緩慢增大狀態(tài)，而高溫下信號(hào)在400s左右出現(xiàn)了明顯的兩次階躍式突變，這與圖8b中的載荷-時(shí)間曲線的兩次“抖動(dòng)”相對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)，高溫環(huán)境下信號(hào)在能量上的變化趨勢(shì)同撞擊變化趨勢(shì)相吻合，均呈現(xiàn)出高溫環(huán)境影響下試件不穩(wěn)定性增強(qiáng)的特性。

圖9 累計(jì)能量曲線圖

3.3 聚類結(jié)果

通過(guò)參量分析，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，并且高溫下的微損傷較常溫少。 根據(jù)DB準(zhǔn)則和輪廓系數(shù)， 常溫下分為4個(gè)類別的最優(yōu)聚類，高溫下分為3個(gè)類別的最優(yōu)聚類。 從圖10所示的聚類后累計(jì)撞擊數(shù)歷經(jīng)圖看，常溫拉伸試件的2類信號(hào)在400s有突然緩慢上升的趨勢(shì)，在700s后1、1′和2類信號(hào)以較大斜率迅速上升， 尤其是1類和1′類基本以相同趨勢(shì)上升，而加載期間3類信號(hào)撞擊數(shù)上升較為平緩。 高溫拉伸試件與常溫拉伸試件相同之處在于1類信號(hào)均存在較高的撞擊數(shù)，但高溫試件在400s左右3類信號(hào)有明顯上升趨勢(shì)，且高溫下3類信號(hào)的撞擊數(shù)目明顯大于2類信號(hào)。 這意味著兩者的損傷模式有所區(qū)別。

圖10 聚類后累計(jì)撞擊數(shù)-時(shí)間歷經(jīng)圖

將圖10得到的分類撞擊數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，各類別占比柱狀圖如圖11所示。 由圖11可以看出在常溫下1′類信號(hào)占比最高，3類占比最低，而高溫下2類信號(hào)占比最低。

圖11 聚類后各類別占比柱狀圖

結(jié)合圖12～14， 常溫聲發(fā)射信號(hào)中：1類信號(hào)撞擊數(shù)高，具有較低幅值（40～55dB）、較低能量和上升時(shí)間較短的特征；1′類信號(hào)介于1類和2類信號(hào)之間，撞擊數(shù)同樣很高，為低幅值（55～65dB）、低能量和上升時(shí)間相對(duì)較短的一類信號(hào)；2類信號(hào)具有上升時(shí)間慢、 振幅在65～80dB之間變化且能量相對(duì)較高的特點(diǎn)；3類信號(hào)撞擊數(shù)相對(duì)較低，幅值基本在75dB以上，具有相對(duì)較短的上升時(shí)間和高能量的特點(diǎn)。 在高溫聲發(fā)射信號(hào)中：1類信號(hào)撞擊數(shù)高、低幅值（40～65dB）、低能量、上升時(shí)間較慢；2類信號(hào)上升時(shí)間極快、振幅相對(duì)較高（50～75dB）、 能量相對(duì)低；3類信號(hào)具有相對(duì)較短的上升時(shí)間和高能量的特點(diǎn)。

圖12 幅值-時(shí)間-載荷曲線

根據(jù)以上分析，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料力學(xué)特性和損傷機(jī)理可知：

a. 判定常溫?fù)p傷。 1類為基體微裂紋和基體開(kāi)裂信號(hào)；1′類為基體開(kāi)裂和少量的界面分層摩擦信號(hào)；2類為界面分層信號(hào)；3類為纖維斷裂信號(hào)。

圖13 上升時(shí)間-幅值關(guān)聯(lián)圖

圖14 能量-幅值關(guān)聯(lián)圖

b. 判定高溫?fù)p傷。 1類為基體開(kāi)裂信號(hào)；2類為纖維/基體脫粘信號(hào)；3類為纖維抽拔和纖維斷裂信號(hào)。

結(jié)合以上聲發(fā)射信號(hào)特性分析發(fā)現(xiàn)，常溫和高溫下的損傷模式不同，高溫環(huán)境加劇了損傷演化過(guò)程， 導(dǎo)致試件在有較少微損傷的情況下，出現(xiàn)了纖維/基體脫粘，引起纖維斷裂數(shù)目增大。 而常溫下的試件體現(xiàn)出纖維斷裂少、分層撞擊數(shù)目多的特點(diǎn)，可與宏觀損傷相驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以鋪層為 ［0°/±45°/0°/90°］s的碳纖維復(fù)合材料試件為研究對(duì)象，基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)其高溫環(huán)境下?lián)p傷特性進(jìn)行分析研究，并與常溫環(huán)境試件進(jìn)行比對(duì)。 研究發(fā)現(xiàn)在高溫影響下材料的損傷早于常溫，且引起應(yīng)力重新分布導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 二者損傷模式表現(xiàn)出較大不同，高溫環(huán)境下的試件損傷演化較常溫劇烈， 表現(xiàn)為微損傷減少， 出現(xiàn)纖維/基體脫粘損傷后的纖維斷裂增加。常溫下拉伸后的試件損傷體現(xiàn)為分層損傷，高溫下的損傷體現(xiàn)為纖維的抽拔和斷裂。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聲發(fā)射技術(shù)可以對(duì)高溫環(huán)境下復(fù)合材料的損傷進(jìn)行有效表征。