声发射技术应用于碳纤维板复合材料损伤检测研究

曹玉祥 安璐 李志强 容禹

摘 要：声发射（Acoustic Emission简称“AE”），是材料变形或破坏时积蓄起来的应变能所释放声音能量的传播现象。大量的声发射信号，会产生在碳纤维复合材料拉伸损伤过程中。本文通过对声发射（AE）信号的数据进行分析，研究碳纤维复合材料的损伤演变规律;对于碳纤维复合材料之细微变形及应变能的变化，声发射（AE）技术可以比传统百分表、应变仪技术能够超前检测出来，因此声发射（AE）技术看成为预测、分析碳纤维复合材料中动态构造变化的实用方法。将声发射（AE）技术应用于碳纤维板（CFRP）复合材料的使用状态动态监测中，可以在抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中应用国际先进的工程结构使用寿命健康检测体系，使得抗震防灾及工程结构安全可靠度领域中大量房屋、桥梁、边坡、地下工程等重要工程结构的系统性安全产生科学有效的保障效应。

关键词：声发射;碳纤维复合材料;工程结构使用寿命

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，聲发射检测是碳纤维复合材料的损伤检测主要方法之一，声发射检测，是一种在碳纤维复合材料的损伤检测领域有待开发的被动检测方式。声发射检测利用材料在局部受力作用下，产生能量快速释放而发出瞬态弹性波的特征，配之以弹性波记录的分析，揭示材料内部在外界载荷作用下产生的变形、裂纹形成以及裂纹的扩展、断裂等现象。由于可以在线实时监测，不影响设备的运行，也不受材料加工形状及表面结构的影响，声发射检测技术因此成为了复合材料损伤分析中一种重要的分析技术。

1 实验过程

1.1 实验原理

对普通钢筋混凝土梁与增加新型碳纤维复合材料的梁的抗弯强度进行对比，分析新型碳纤维复合材料对钢筋混凝土梁的强度提高情况;使用声发射（Acoustic Emission，简称“AE”）技术，是一种能实时监测复合材料混凝土梁的内部损伤与扩展的动态状况。

1.2 材料与试样及实验主要设备

（1）选择日本东丽公司生产的T300型环氧树脂基碳纤维复合板，斜纹编织铺层结构，纤维体积含量40%;“固特棒”结构碳纤维复合板专用胶，垂流度1～0，抗压强度89.7MPa，拉伸抗剪强度89.7MPa正拉粘结强度4.2MPa。

（2）加载设备，拉杆、分配梁、反力钢梁、千斤顶测力计。

（3）数字静态电阻应变仪（DH3818-2）。

（4）声发射仪器：Disp型数字化声发射系统，美国物理声学公司（PAC）;传感器型号为SR40-RIC，前置放大器增益为40dB，带通频率为10KHZ～2.5MHZ。

（5）CMOS相机：MER-500-7UM-L型，中国大恒（集团）有限公司。

1.3 实验进程

根据图3所示，试件在对于预应力碳纤维板复合材料拉伸过程中，根据AE产生的幅度值、撞击累积数随时间的变化历程数据现象，材料的损伤可以划分成为三个阶段。第一阶段，为损伤初始阶段：在20s之前的实验时间，AE信号基本检测不到;实验时间达到20s左右，幅度值高于40dB的AE信号开始出现;当高于90dB的AE信号出现时，表明材料撞击累积数上升缓慢。鉴于AE信号不稳定性，加载初期外界环境产生的噪声信号干扰导致一些高幅度值AE信号产生，此阶段的材料损伤模式，主要是碳纤维板复合材料内部工艺缺陷和微小裂纹，在小载荷作用下形成的损伤;同时，试件有少量基体开裂，以及与边缘的纤维微损伤现象产生。第二阶段作为损伤累积阶段，此阶段AE事件持续性增加，而撞击累积数也平稳递增。此阶段AE事件的幅度值主要集中于40dB～100dB之间，实验的时间是在40s～160s之间;试件内部，由于基体开裂与纤维束/基体间脱粘，从而造成的损伤现象是持续加重。第三阶段，为损伤破坏阶段：实验时间在160s～200s，AE现象增加急剧，表明撞击累积数迅速升高，伴随着基体开裂、纤维束/基体脱粘以及纤维断裂等多种损伤的发生;加载到200s左右，碳纤维板试件彻底断裂现象产生。

图3 碳纤维板试件AE幅值、撞击累积数、时间的变化关系

2 结果与分析

如图6所示，碳纤维板复合材料试件在拉伸载荷作用下，AE持续时间、AE幅值随时间动态变化的情况，反映出在试件加载初期AE信号持续时间短、幅值低，这可能与碳纤维板复合材料试件内部少量基体和边缘部分纤维损伤有关。在实验进入损伤累积阶段后，高幅值的AE事件明显增加很多，也有一些低幅值的AE信号出现，在这一阶段碳纤维板复合材料基体损伤程度明显加重，同时伴随纤维/基体的脱粘。进入材料的损伤破坏阶段，纤维是复合材料拉伸方向荷载的主要承担者。当试件面临失效时，AE的信号持续时间急剧增加，直至达到峰值幅值，当AE的信号达到最大值时，碳纤维板中的纤维断裂，导致碳纤维板复合材料试样最终破坏现象出现。

3 结论

对于某抗震防灾工程结构的混凝土梁中、碳纤维板复活材料在单轴受压状态下声发射现象的分析，依据声发射过程，得到了碳纤维量化的损伤结果，并以Kaiser效应和Felicity效应进行分析。理论与试验结果表明：运用声发射技术进行碳纤维复活材料损伤评估，能够了解碳纤维复活材料内部裂缝形成与开展的过程，定量识别碳纤维复活材料损伤的大小，声发射技术因此是一种简便、快捷的动态方法。由于不需要了解碳纤维复活材料未损伤状态时的物理参数，故对于工程资料不全或者缺失的工程结构，判定碳纤维复活材料曾经承受的最大应力历史，评估混凝土结构的损伤状况、评估混凝土结构曾经承受的最大应力，应用声发射技术是有效可行的。如图7所示，实验在拉伸荷载的作用下，AE持续时间和幅度值随时间变化情况。在实验试件的加载初期，AE信号持续时间短、幅值低，这可能与碳纤维板复活材料试件内部少量基体和边缘部分纤维损伤有关;进入损伤累积阶段，高幅度值的AE现象增多明显，但也有一些低幅值的AE信号产生;在此阶段，碳纤维板复活材料基体损伤程度加重，同时伴随纤维/基体的脱粘;在实验进入损伤破坏阶段，碳纤维板复活材料中的纤维，是复合材料拉伸方向荷载的主要承担者;当AE信号的持续时间增加急剧、直至达到峰值幅度值的现象产生，表明实验试件即将要失效。AE信号增加到最大值时，纤维断裂导致碳纤维板复活材料试样最终破坏。

以上实验现象，声发射技术应用于碳纤维复合材料损伤演变规律的监测得出如下结论：（1）碳纤维板复活材料加载之后，试件中纤维/树脂界面发生剥离的同时，由材料缺陷或残留应力引起的应力集中部位出现局部纤维拉断;（2）当碳纤维板荷载接近破坏强度时，试件中的纤维开始拉断，由于纤维界面强度不是很高，裂纹向纤维方向扩展。高温硬化型碳素纤维强化（CFRP）的情况下，由于树脂是脆性的，纤维开始发生破坏时便立即破坏;（3）本次材料实验破坏属于拉张型破坏，破坏面是由树脂覆盖的，很明显破坏在树脂中进行。

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科技基金及计划项目：贵州省科技基金项目（黔科合J字[2010]2040号）;贵州省科技计划项目（黔科合GY字[2011]3042号）;贵阳市科技计划项目（筑科合同[2011101]1-44号）

作者简介：曹玉祥（1964-），男，硕士，高级工程师，主要从事无损检测、工程材料分析及设计等方面研究;安璐，李志强，容禹，分别为高级工程师、工程师，主要从事机械原理研究设计、工程材料分析等方面研究。