陶瓷基復(fù)合材料雙剪切性能的聲發(fā)射特征研究

劉武剛 王淑玉 盧克非 高博 王龍 侯傳濤 任方

（1 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；2 北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；3 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生多種形式的損傷，分析與評(píng)價(jià)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響已成為設(shè)計(jì)者與使用者關(guān)注的重要內(nèi)容[1-10]。聲發(fā)射作為一種在線被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，已在復(fù)合材料損傷的產(chǎn)生、演化及類型的識(shí)別等方面得到了廣泛的應(yīng)用[11-18]。聲發(fā)射信號(hào)的分析方法主要包括參數(shù)分析法和波形分析法，基于波形提取的聲發(fā)射特征參數(shù)可以直觀地對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的損傷演化規(guī)律進(jìn)行分析，在復(fù)合材料損傷特征和規(guī)律方面研究的最多，其結(jié)果主要受到信號(hào)門檻值的影響；聲發(fā)射波形包含了損傷源最直接的信息，通過(guò)傅立葉變換及小波動(dòng)時(shí)頻分析，可以得到損傷源更為豐富的特征[14]。高性能聲發(fā)射全波形采集系統(tǒng)的研發(fā)使基于聲發(fā)射波形分析成為可能。

利用聲發(fā)射技術(shù)最為主要的目的之一是對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷提供評(píng)價(jià)。目前的研究多基于聲發(fā)射參數(shù)特征并結(jié)合復(fù)合材料在受載荷過(guò)程中的損傷演化分析建立二者之間的相互關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷源的類型進(jìn)行判別。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷及損傷模式屬于微觀機(jī)制層面，而獲得的聲發(fā)射信號(hào)則是損傷的宏觀表現(xiàn)，建立二者之間的關(guān)系需要借助于在線實(shí)時(shí)內(nèi)部微觀觀測(cè)如X-CT技術(shù)，已見(jiàn)有相關(guān)研究報(bào)道[15-19]。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷伴隨著多種模式而存在，這也增加了對(duì)損傷模式識(shí)別的困難。

本文采用聲發(fā)射全波形信息采集技術(shù)，對(duì)高溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中常用的陶瓷基復(fù)合材料螺栓產(chǎn)生剪切破壞損傷模式進(jìn)行模擬研究，通過(guò)傅立葉變換及小波時(shí)頻分析，從宏觀的角度獲得破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征及主要損傷模式類型，為進(jìn)一步從微觀深入研究提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用的試樣為陶瓷基復(fù)合材料，直徑為12mm，剪切有效長(zhǎng)度為10mm，加載速率為0.5mm/min。共有12件試樣參加試驗(yàn)，4件為纖維鋪層與加載方向?yàn)?°，3件纖維鋪層與加載方向?yàn)?5°，5件纖維鋪層與加載方向?yàn)?0°，試驗(yàn)狀態(tài)如圖1。采用全信息聲發(fā)射采集分析系統(tǒng)對(duì)試樣損傷全過(guò)程中的損傷進(jìn)行采集，聲發(fā)射采樣頻率為5MHz，信號(hào)幅值范圍為±10V。傳感器為R15共振型聲發(fā)射傳感器，前置放大器設(shè)置為20dB。R15共振型聲發(fā)射傳感器在100～400kHz具有較高的靈敏度，在工程應(yīng)用中最為廣泛，共振頻率為150kHz，其余頻率范圍內(nèi)靈敏度相對(duì)較低一些，在復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)方面具有一定的局限。此文中利用不同信號(hào)之間各頻率的相對(duì)值進(jìn)行比較，對(duì)信號(hào)頻率的相對(duì)變化來(lái)說(shuō)具有一定的意義。聲發(fā)射傳感器安裝在近鄰試樣的夾具上，監(jiān)測(cè)并采集試樣在外載作用下的損傷聲發(fā)射信號(hào)。

圖1 不同維鋪層與加載方向夾角及破壞狀態(tài) Fig.1 The angle between the load and the fiber layers and failure modes

2 結(jié)果分析及討論

2.1 加載過(guò)程整體聲發(fā)射信號(hào)歷程

圖2～圖4分別列出了纖維鋪層與加載方向成0°、45°和90°試樣雙剪切試驗(yàn)時(shí)所獲得的聲發(fā)射信號(hào)歷程的整體與低幅度信號(hào)細(xì)部圖。分析發(fā)現(xiàn)纖維鋪層與加載方向成0°時(shí)，在載荷達(dá)到某一值時(shí)，出現(xiàn)較大幅值的聲發(fā)射信號(hào)，如圖2（a）、圖3（a）和圖4（a）中橢圓中的信號(hào)。

隨后間斷持續(xù)到試樣破壞，在破壞時(shí)出現(xiàn)集中信號(hào)區(qū)域。放大信號(hào)細(xì)部，如圖2（b）、圖3（b）和圖4（b），可知在整個(gè)加載過(guò)程中，出現(xiàn)大量小幅值聲發(fā)射信號(hào)且在試樣破壞前出現(xiàn)急劇增多的現(xiàn)象。

圖2 0°試樣加載過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)特征 Fig.2 Characteristics of acoustic emission signals in loading (0° sample)

圖4 90°試樣加載過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)聲發(fā)射信號(hào)特征 Fig.4 Characteristics of acoustic emission signals in loading (90° sample)

纖維鋪層與加載方向成90°時(shí)，在載荷達(dá)到某一值時(shí)，出現(xiàn)較大幅值的集中聲發(fā)射信號(hào)區(qū)域，隨后一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較少量的低幅值聲發(fā)射信號(hào)，直至試樣破壞時(shí)出現(xiàn)大幅值聲發(fā)射信號(hào)。觀察信號(hào)的細(xì)部，在加載中期，出現(xiàn)較大幅值信號(hào)集中區(qū)，在試樣破壞前保持在穩(wěn)定的幅值，持續(xù)到出現(xiàn)大幅值聲發(fā)射信號(hào)為止。與0°時(shí)和90°時(shí)不同，纖維鋪層與加載方向成45°時(shí)，試樣在整個(gè)加載過(guò)程中的大幅值聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)前兩者較少。試樣在加載到中部某一載荷值時(shí)，出現(xiàn)較大幅值聲發(fā)射信號(hào)集中區(qū)后，如圖3（a）中橢圓中的信號(hào)，直至試樣破壞前沒(méi)有出現(xiàn)大幅值聲發(fā)射信號(hào)，且破壞時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)幅值也相對(duì)較小。從試驗(yàn)加載開(kāi)始直至破壞，其細(xì)部的小幅值聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量維持在一定的量級(jí)，在破壞前幅值與數(shù)量有所增大和增多。

圖3 45°試樣加載過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)特征 Fig.3 Characteristics of acoustic emission signals in loading (45° sample)

2.2 典型聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻特征

圖5～圖7分別給出了0°、45°和90°不同加載方式下得到的聲發(fā)射信號(hào)的傅立葉頻率及小波時(shí)頻能量分布。

從小波時(shí)頻分布圖中可以得到，0°加載方式下，信號(hào)能量集中分布在0～200kHz范圍內(nèi)，能量峰值出現(xiàn)在70kHz和120kHz，如圖5；在45°加載方式下，聲發(fā)射信號(hào)包含多個(gè)頻率峰值，在信號(hào)的前期頻率分布在0～200kHz范圍內(nèi)，能量集中在中心頻率為70kHz和170kHz，見(jiàn)圖6；在90°加載方式下，在信號(hào)前面部分，能量主要分布在0～300kHz較寬范圍內(nèi)，隨后集中在70kHz和170kHz兩個(gè)頻率處，400～600μs能量集中在低頻70kHz，600μs后能量主要集中在70kHz和170kHz，如圖7所示。

圖5 0°雙剪切聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻分布特征 Fig.5 Time-frequency features of acoustic emission signals（0°）

圖6 90°雙剪切聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻分布特征 Fig.6 Time-frequency features of acoustic emission signals（90°）

圖7 90°雙剪切聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻分布特征 Fig.7 Time-frequency features of acoustic emission signals（90°）

試樣加載過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)包含了材料損傷破壞模式的信息，一般可以根據(jù)典型聲發(fā)射信號(hào)提取相應(yīng)的特征來(lái)對(duì)損傷模式進(jìn)行識(shí)別。從上述不同加載方式下典型聲發(fā)射信號(hào)的頻率及時(shí)頻分布分析可以知道，不同的加載方式下，信號(hào)能量分布的頻率各不相同，說(shuō)明試樣材料內(nèi)部產(chǎn)生了不同的損傷模式。在0°加載方式下，產(chǎn)生70kHz和120kHz兩種損傷模式，其中以120kHz為主；45°加載方式下，信號(hào)出現(xiàn)20kHz、40kHz、70kHz、90kHz、120kHz和170kHz多個(gè)能量集中頻率，20kHz和70kHz兩種損傷模式能量最大，90kHz和170kHz兩種損傷模式能量次之；90°加載方式下，信號(hào)能量明顯集中在40kHz、70kHz和170kHz三個(gè)頻率，以70kHz頻率的能量為最大，試樣內(nèi)部主要存在這三種主要的損傷模式。從以上分析可以看出，45°加載方式下的信號(hào)包含了0°和90°兩種情況的頻率成份，說(shuō)明45°加載方式下材料內(nèi)部的損傷狀態(tài)最為復(fù)雜，由于存在相對(duì)較多的損傷模式，能量分布于多個(gè)損傷狀態(tài)中，單個(gè)的頻率能量幅值相對(duì)0°和90°兩種情況的較低。

2.3 聲發(fā)射信號(hào)特征與載荷的關(guān)系

復(fù)合材料在外載荷作用下吸收能量，當(dāng)載荷超過(guò)材料內(nèi)部基體和纖維的承載能力時(shí)，會(huì)發(fā)生基體或纖維損傷破壞，釋放所吸收的能量，產(chǎn)生聲發(fā)射應(yīng)力波，故聲發(fā)射信號(hào)的特征與外載荷具有一定的相互關(guān)系。特別是典型的聲發(fā)射信號(hào)，如第一次出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)或高幅值聲發(fā)射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的載荷代表了材料的固有特征。表1列出了同批次試樣0°、45°和90°三種載荷作用下，雙剪切試樣第一次大幅值聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻對(duì)應(yīng)的載荷（稱為“特征載荷”）與試樣極限破壞載荷（稱為“極限載荷”）之間的相互關(guān)系。

表1 試樣載荷與聲發(fā)射信號(hào)特征 Table 1 Relation between the ultimate strength and the characteristics of acoustic emission signals

從表1中可知，0°載荷下試樣的極限載荷最低，其次45°，90°為最高，這說(shuō)明雙剪切試樣的極限載荷與加載方向密切相關(guān)，當(dāng)鋪層方向與加載方向相一致時(shí)，纖維層與基體承受壓載荷，此時(shí)極限載荷最低；隨著鋪層方向與加載方向夾角增大，纖維鋪層承受較多的壓彎載荷，極限載荷達(dá)到最高。同時(shí)可以看到，第一次大幅值聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的載荷變化不大，基本上保持一致。

表1中計(jì)算出了各個(gè)試樣的特征載荷與極限載荷的百分比δ，0°時(shí)δ平均為82.9%，45°時(shí)平均為65.7%和90°時(shí)平均為46.6%。圖8示出了特征載荷與極限載荷之比δ和纖維鋪層與加載方向夾角α之間的變化規(guī)律，從中可以看出，δ與α呈現(xiàn)出線性降低的關(guān)系。根據(jù)此種關(guān)系，可以根據(jù)特征載荷對(duì)強(qiáng)度載荷進(jìn)行估計(jì)。

圖8 特征載荷與極限載荷之比δ和纖維鋪層與加載方向夾角α之間的變化規(guī)律 Fig.8 the relation between δ and α

3 結(jié)論

1）分析大幅值聲發(fā)射信號(hào)和小幅值聲發(fā)射信號(hào)的演化特征，可以從整體上和局部反映陶瓷基復(fù)合材料雙剪切試樣內(nèi)部損傷演化機(jī)理，從不同角度分析材料內(nèi)部的損傷演化規(guī)律。

2）同批次陶瓷基復(fù)合材料試樣在雙剪切加載方式下，內(nèi)部損傷隨纖維鋪層與加載方向夾角的不同而變化。纖維鋪層與加載方向夾角為45°時(shí)材料內(nèi)部的損傷狀態(tài)最為復(fù)雜，聲發(fā)射信號(hào)所包含的頻率最為豐富，包含了0°和90°兩種情況的頻率成份。

3）不同加載條件下陶瓷基復(fù)合材料試樣首次大幅值聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)的特征載荷與極限強(qiáng)度載荷具有一定的相互關(guān)系。隨載荷與纖維鋪層方向夾角的增大，極限破壞載荷越大。以特征載荷與極限載荷之比δ和纖維鋪層與加載方向夾角α之間呈現(xiàn)出線性變化關(guān)系為基礎(chǔ)，可以依據(jù)特征載荷對(duì)強(qiáng)度載荷進(jìn)行估計(jì)。