碳纖維復(fù)合材料損傷的非線性超聲及聲發(fā)射聯(lián)合檢測研究

孫榮鑫 李 偉 閆孝偉 蔣 鵬 孫 平

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院）

碳纖維復(fù)合材料因具有高比強度、 高疲勞耐受性及優(yōu)異的耐腐蝕性等優(yōu)點［1］，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、儲存運輸及建筑生產(chǎn)等行業(yè)中［2］，因這些行業(yè)對安全性的要求較高， 故已有大量學(xué)者對碳纖維復(fù)合材料的損傷機理、 損傷階段及損傷識別等方面進行了深入研究， 而針對復(fù)合材料加載過程中損傷破壞機理的檢測分析較為常用的手段是聲發(fā)射檢測技術(shù)［3］，該技術(shù)的應(yīng)用可行性已被多次報道［4，5］，然而聲發(fā)射檢測技術(shù)依賴于材料活性缺陷和活性大小， 故對早期弱活性敏感性較低，不易區(qū)分損傷和噪聲干擾。 近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)利用非線性超聲技術(shù)可以有效檢測材料中的早期損傷， 石媛媛對非線性超聲在不同外力作用下的金屬應(yīng)力腐蝕微裂紋的傳播進行了研究，發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)可以表征金屬應(yīng)力腐蝕狀況［6］。 閆紅娟利用非線性超聲技術(shù)實現(xiàn)了對金屬疲勞損傷壽命預(yù)測［7］，總的來講，將非線性超聲技術(shù)應(yīng)用于金屬材料早期損傷檢測的研究報道相對較多［8］，Kim G等采用非線性超聲對循環(huán)加載下的混凝土微觀裂紋進行了監(jiān)測， 證明其在損傷檢測方面具有可行性［9］，鄧燕燕研究了復(fù)合材料孔隙率與非線性系數(shù)的關(guān)系，提出了評價方法［10］。在復(fù)合材料損傷研究方面， 黃遠航和張發(fā)友對復(fù)合材料進行損傷檢測，發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)與損傷情況相關(guān)［11,12］，張青松對沖擊載荷作用下的復(fù)合材料進行非線性超聲檢測［13］，張玉龍等對復(fù)合材料層合板進行了拉損傷檢測［14］，都證明了非線性技術(shù)可以反映復(fù)合材料損傷情況。 然而復(fù)合材料的非線性損傷過程較為復(fù)雜， 而超聲穿過不完美界面產(chǎn)生的非線性效應(yīng)又受多方面影響， 故采用單一手段檢測復(fù)合材料存在不足， 筆者采用聲發(fā)射技術(shù)聯(lián)合非線性超聲檢測技術(shù)對階梯加載下的復(fù)合材料進行損傷檢測， 以期實現(xiàn)對復(fù)合材料更加完善的損傷評價。

1 理論部分

在線性聲學(xué)的討論中［15］，當聲波以小振幅傳播時，質(zhì)點速度、位移和媒質(zhì)的密度相較聲速、聲波波長和靜態(tài)密度都是微小量， 材料非線性對波的影響可以忽略，認為聲波以線性傳播，但當聲波以有限振幅或稱大振幅聲波傳播，媒介應(yīng)變?yōu)橛邢薮笮r，為解釋聲波的非線性現(xiàn)象，理論方面就需要波動方程可以體現(xiàn)聲波的非線性，在材料中引起聲波非線性變化的因素主要有材料非線性、幾何非線性、接觸非線性、邊界非線性及場耦合非線性等［16］，非線性超聲的損傷檢測應(yīng)用就是通過檢測由損傷引起的聲波非線性變化進而判斷材料損傷狀況，筆者將通過檢測超聲非線性系數(shù)，監(jiān)測損傷變化情況。

根據(jù)經(jīng)典非線性理論， 在有限振幅激勵下，材料的一維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為［17,18］：

通過微繞法求解波動方程， 設(shè)位移u由線性位移解u（0）和非線性位移解u（1）兩部分組成［21］，即u=u（0）+u（1）。 設(shè)發(fā)射端激發(fā)正弦波，將兩個位移解的結(jié)果合并表示如下：

更高階的三次諧波非線性系數(shù)同樣可以通過波動方程求解，其相對三次非線性系數(shù)可表示為δ′：

式中 A3——三次諧波振幅。

2 實驗部分

2.1 加載形式

本次實驗試件均采用T700碳纖維碳布層合板作為研究對象，材料參數(shù)如下：

加載設(shè)備采用CMT-5000萬能電子拉伸實驗機對材料進行循環(huán)階梯加載損傷，實驗按照加載壓力階梯不同共設(shè)置兩組，分別為5.0 kN 和2.5 kN，并將對應(yīng)壓力階梯下的實驗試件分別命名為試件a和試件b。 兩組加載實驗的載荷范圍均為0～45 kN，且每級循環(huán)最低點均為0 kN，為使材料穩(wěn)定受載，加載速率設(shè)定為100 N/s，同時為使聲發(fā)射可以采集更多有效數(shù)據(jù)，保載時間設(shè)為5 min。

2.2 聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射技術(shù)已被大量實驗證明可以有效檢測復(fù)合材料損傷， 此次實驗采用寬頻聲發(fā)射探頭，頻寬可達到1 MHz，傳感器按110 mm間距分布于試件一側(cè)。

2.3 非線性超聲檢測

本實驗采用美國RETIC公司自主開發(fā)生產(chǎn)的RAM-5000 SNAP非線性超聲系統(tǒng)，該超聲測試系統(tǒng)主要由衰減器、濾波器組件及傳感器等構(gòu)件組成，超聲探頭采用中心兩側(cè)相對布置形式。 當發(fā)射端發(fā)射7個周期中心頻率為2.25 MHz的高頻脈沖串作為超聲信號時（圖1a），布置于另一端的3 MHz寬頻探頭將負責接收透射過材料的超聲信號（圖1b），實現(xiàn)聲波的發(fā)射與接收，超聲信號的檢測在每次循環(huán)卸載的最低點完成。

圖1 激發(fā)、接收信號

3 實驗結(jié)果分析

3.1 聲發(fā)射實驗結(jié)果

實驗從0 kN加載至45 kN，圖2分別為試件a、b在對應(yīng)加載方式下的加載曲線和聲發(fā)射檢測結(jié)果，從加載圖中的聲發(fā)射信號可以看出隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加， 信號幅值和數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢，這表明材料加載過程中已出現(xiàn)損傷并隨載荷的增加逐步加劇。

圖2 不同試件的加載曲線和聲發(fā)射檢測結(jié)果

由圖2a可知， 試件a在10 kN階段開始產(chǎn)生少量聲發(fā)射信號， 且信號以小于60 dB的低幅值信號為主，當載荷增加至25 kN階段，聲發(fā)射撞擊計數(shù)出現(xiàn)加速增長趨勢，且幅度分布范圍為50～80 dB，隨著載荷的不斷增大，在40、45 kN階段，出現(xiàn)部分大于80 dB的高幅值信號， 同時伴隨中低幅值信號的同步增加。 從加載過程聲發(fā)射信號的經(jīng)歷變化趨勢來看， 在25 kN以后伴隨載荷增大，試件內(nèi)部損傷逐步擴展，且幅度分布范圍較寬，損傷類型較多。 對比圖2b可以看出，當增加加載次數(shù)，減小載荷間隔，試件b在加載5 kN時產(chǎn)生高幅值信號，隨后在10～35 kN階段信號呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，且幅度分布較寬，隨著加載繼續(xù)，在30 kN階段信號數(shù)量明顯增多， 幅值分布較為均勻，變化范圍與前加載階段相近均在50～80 dB，在37.5～45.0 kN階段， 聲發(fā)射信號出現(xiàn)大于80 dB的高幅值信號，且中低幅值信號也同步增加，從聲發(fā)射信號變化趨勢可以看出，材料在10～35 kN階段呈現(xiàn)穩(wěn)定損傷積累，到達37.5～45.0 kN階段，材料出現(xiàn)損傷擴展加劇態(tài)勢。

3.2 非線性超聲實驗結(jié)果分析

應(yīng)用非線性超聲技術(shù)針對試件a、b分別在每級循環(huán)卸載處進行非線性超聲二次、 三次系數(shù)測 量，并對比統(tǒng)計檢測結(jié)果與聲發(fā)射累計計數(shù)（圖3）。

圖3 不同試件卸載狀態(tài)非線性系數(shù)

由圖3a可知，試件a在5 kN加載循環(huán)后，聲發(fā)射振鈴計數(shù)相對較少， 信號增大趨勢不明顯，表明在該壓力階段聲發(fā)射對于損傷變化并不敏感，而對比二次非線性系數(shù)的變化趨勢可以看出，在5 kN以后二次非線性系數(shù)出現(xiàn)第1次較大增幅，直至20 kN一直保持其變化趨勢，這表明在0～20 kN加載早期階段中，非線性超聲相對于聲發(fā)射對早期加載階段的損傷更加敏感。 隨著早期加載階段的結(jié)束，聲發(fā)射計數(shù)和非線性系數(shù)在35 kN載荷前，信號均可保持基本穩(wěn)定趨勢，當載荷增大至30 kN時，振鈴計數(shù)開始明顯升高，隨后二次非線性系數(shù)出現(xiàn)第2次較大增幅， 并持續(xù)增大至加載結(jié)束， 從圖4a非線性超聲頻譜圖中也可以看出，加載結(jié)束時的基波幅值相比初始未加載前有明顯降低。 在此基礎(chǔ)上，增加載荷間隔，其結(jié)果如圖3b所示，試件b在2.5 kN加載循環(huán)后，首次出現(xiàn)聲發(fā)射信號，但直至27.5 kN加載階段前，聲發(fā)射振鈴計數(shù)一直相對較少，而對比二次非線性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在初始到20 kN階段早期加載過程中，系數(shù)出現(xiàn)與試件a相同的遞增現(xiàn)象，隨后直至27.5 kN一直保持基本穩(wěn)定趨勢，隨著載荷增大至30 kN開始，聲發(fā)射振鈴計數(shù)開始出現(xiàn)升高，隨后隨著載荷進一步增大，振鈴計數(shù)隨之也呈現(xiàn)快速升高趨勢， 而對比二次非線性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，從30 kN開始系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢，并隨載荷遞增，下降幅度逐級增大，從圖4b可以看出加載結(jié)束時的二次諧波相比初始未加載前有明顯降低。

圖4 不同試件初始、結(jié)束狀態(tài)頻譜表征

經(jīng)分析可知，隨著損傷加劇裂紋間距逐步擴展，致使部分聲波無法穿過損傷界面，因而導(dǎo)致非線性系數(shù)降低，而聲發(fā)射由于采集的是損傷過程中活性缺陷發(fā)出的信號，所以在缺陷擴展過程中依然表現(xiàn)為信號的增加，從圖3可以看出，計數(shù)的增加量與二次非線性系數(shù)的降低程度也基本吻合。

對比兩組實驗可以看出， 試件b的損傷程度比試件a更加嚴重，這表明2.5 kN的階梯加載方式相比5.0 kN的更易造成材料損傷。 在兩種加載方式下的早期加載階段（20 kN以下加載段），二次非線性系數(shù)均呈現(xiàn)出遞增趨勢，而聲發(fā)射信號在該階段卻并不明顯， 然而隨著載荷的繼續(xù)升高，聲發(fā)射計數(shù)始終呈現(xiàn)與損傷一致的遞增趨勢。 而二次非線性系數(shù)與聲發(fā)射累計計數(shù)在試件b加載過程下的擴展階段呈背離趨勢， 但變化程度相近。 從二次非線性系數(shù)與三次非線性系數(shù)對比來看，二次系數(shù)相較更具有規(guī)律性。

4 結(jié)論

4.1 實驗表明， 在2.5 kN和5.0 kN兩組實驗壓力階梯下的早期損傷階段 （20 kN以下加載段），二次非線性系數(shù)相比聲發(fā)射技術(shù)均展現(xiàn)出對早期損傷更加敏感的特性，且隨著損傷程度加劇呈現(xiàn)出遞增趨勢。

4.2 隨復(fù)合材料損傷程度加劇，非線性系數(shù)將與聲發(fā)射累計計數(shù)呈背離趨勢，但變化程度基本相近。

4.3 在對2.5 kN和5.0 kN兩組實驗壓力階梯下的損傷全過程分析中發(fā)現(xiàn)，二次非線性系數(shù)相比三次非線性系數(shù)在損傷表征方面展現(xiàn)出更強的規(guī)律性。

4.4 由于非線性超聲的主動檢測性，使得其相比聲發(fā)射技術(shù)具有在檢測過程中無需加載即可反映早期損傷的優(yōu)勢，但聲發(fā)射技術(shù)參量與復(fù)合材料損傷程度更具有一致性。