碳纤维复合材料损伤的非线性超声及声发射联合检测研究

2022-08-24孙荣鑫闫孝伟

化工机械 2022年3期

孙荣鑫李伟闫孝伟蒋鹏孙平

（东北石油大学机械科学与工程学院）

碳纤维复合材料因具有高比强度、高疲劳耐受性及优异的耐腐蚀性等优点［1］，而被广泛应用于航空航天、储存运输及建筑生产等行业中［2］，因这些行业对安全性的要求较高，故已有大量学者对碳纤维复合材料的损伤机理、损伤阶段及损伤识别等方面进行了深入研究，而针对复合材料加载过程中损伤破坏机理的检测分析较为常用的手段是声发射检测技术［3］，该技术的应用可行性已被多次报道［4，5］，然而声发射检测技术依赖于材料活性缺陷和活性大小，故对早期弱活性敏感性较低，不易区分损伤和噪声干扰。近年来，大量研究发现利用非线性超声技术可以有效检测材料中的早期损伤，石媛媛对非线性超声在不同外力作用下的金属应力腐蚀微裂纹的传播进行了研究，发现非线性系数可以表征金属应力腐蚀状况［6］。闫红娟利用非线性超声技术实现了对金属疲劳损伤寿命预测［7］，总的来讲，将非线性超声技术应用于金属材料早期损伤检测的研究报道相对较多［8］，Kim G等采用非线性超声对循环加载下的混凝土微观裂纹进行了监测，证明其在损伤检测方面具有可行性［9］，邓燕燕研究了复合材料孔隙率与非线性系数的关系，提出了评价方法［10］。在复合材料损伤研究方面，黄远航和张发友对复合材料进行损伤检测，发现非线性系数与损伤情况相关［11,12］，张青松对冲击载荷作用下的复合材料进行非线性超声检测［13］，张玉龙等对复合材料层合板进行了拉损伤检测［14］，都证明了非线性技术可以反映复合材料损伤情况。然而复合材料的非线性损伤过程较为复杂，而超声穿过不完美界面产生的非线性效应又受多方面影响，故采用单一手段检测复合材料存在不足，笔者采用声发射技术联合非线性超声检测技术对阶梯加载下的复合材料进行损伤检测，以期实现对复合材料更加完善的损伤评价。

1 理论部分

在线性声学的讨论中［15］，当声波以小振幅传播时，质点速度、位移和媒质的密度相较声速、声波波长和静态密度都是微小量，材料非线性对波的影响可以忽略，认为声波以线性传播，但当声波以有限振幅或称大振幅声波传播，媒介应变为有限大小时，为解释声波的非线性现象，理论方面就需要波动方程可以体现声波的非线性，在材料中引起声波非线性变化的因素主要有材料非线性、几何非线性、接触非线性、边界非线性及场耦合非线性等［16］，非线性超声的损伤检测应用就是通过检测由损伤引起的声波非线性变化进而判断材料损伤状况，笔者将通过检测超声非线性系数，监测损伤变化情况。

根据经典非线性理论，在有限振幅激励下，材料的一维应力-应变关系可表示为［17,18］：

通过微绕法求解波动方程，设位移u由线性位移解u（0）和非线性位移解u（1）两部分组成［21］，即u=u（0）+u（1）。设发射端激发正弦波，将两个位移解的结果合并表示如下：

更高阶的三次谐波非线性系数同样可以通过波动方程求解，其相对三次非线性系数可表示为δ′：

式中 A3——三次谐波振幅。

2 实验部分

2.1 加载形式

本次实验试件均采用T700碳纤维碳布层合板作为研究对象，材料参数如下：

加载设备采用CMT-5000万能电子拉伸实验机对材料进行循环阶梯加载损伤，实验按照加载压力阶梯不同共设置两组，分别为5.0 kN 和2.5 kN，并将对应压力阶梯下的实验试件分别命名为试件a和试件b。两组加载实验的载荷范围均为0～45 kN，且每级循环最低点均为0 kN，为使材料稳定受载，加载速率设定为100 N/s，同时为使声发射可以采集更多有效数据，保载时间设为5 min。

2.2 声发射检测

声发射技术已被大量实验证明可以有效检测复合材料损伤，此次实验采用宽频声发射探头，频宽可达到1 MHz，传感器按110 mm间距分布于试件一侧。

2.3 非线性超声检测

本实验采用美国RETIC公司自主开发生产的RAM-5000 SNAP非线性超声系统，该超声测试系统主要由衰减器、滤波器组件及传感器等构件组成，超声探头采用中心两侧相对布置形式。当发射端发射7个周期中心频率为2.25 MHz的高频脉冲串作为超声信号时（图1a），布置于另一端的3 MHz宽频探头将负责接收透射过材料的超声信号（图1b），实现声波的发射与接收，超声信号的检测在每次循环卸载的最低点完成。

图1 激发、接收信号

3 实验结果分析

3.1 声发射实验结果

实验从0 kN加载至45 kN，图2分别为试件a、b在对应加载方式下的加载曲线和声发射检测结果，从加载图中的声发射信号可以看出随着加载循环次数的增加，信号幅值和数量呈现增长趋势，这表明材料加载过程中已出现损伤并随载荷的增加逐步加剧。

图2 不同试件的加载曲线和声发射检测结果

由图2a可知，试件a在10 kN阶段开始产生少量声发射信号，且信号以小于60 dB的低幅值信号为主，当载荷增加至25 kN阶段，声发射撞击计数出现加速增长趋势，且幅度分布范围为50～80 dB，随着载荷的不断增大，在40、45 kN阶段，出现部分大于80 dB的高幅值信号，同时伴随中低幅值信号的同步增加。从加载过程声发射信号的经历变化趋势来看，在25 kN以后伴随载荷增大，试件内部损伤逐步扩展，且幅度分布范围较宽，损伤类型较多。对比图2b可以看出，当增加加载次数，减小载荷间隔，试件b在加载5 kN时产生高幅值信号，随后在10～35 kN阶段信号呈现稳定趋势，且幅度分布较宽，随着加载继续，在30 kN阶段信号数量明显增多，幅值分布较为均匀，变化范围与前加载阶段相近均在50～80 dB，在37.5～45.0 kN阶段，声发射信号出现大于80 dB的高幅值信号，且中低幅值信号也同步增加，从声发射信号变化趋势可以看出，材料在10～35 kN阶段呈现稳定损伤积累，到达37.5～45.0 kN阶段，材料出现损伤扩展加剧态势。

3.2 非线性超声实验结果分析

应用非线性超声技术针对试件a、b分别在每级循环卸载处进行非线性超声二次、三次系数测量，并对比统计检测结果与声发射累计计数（图3）。

图3 不同试件卸载状态非线性系数

由图3a可知，试件a在5 kN加载循环后，声发射振铃计数相对较少，信号增大趋势不明显，表明在该压力阶段声发射对于损伤变化并不敏感，而对比二次非线性系数的变化趋势可以看出，在5 kN以后二次非线性系数出现第1次较大增幅，直至20 kN一直保持其变化趋势，这表明在0～20 kN加载早期阶段中，非线性超声相对于声发射对早期加载阶段的损伤更加敏感。随着早期加载阶段的结束，声发射计数和非线性系数在35 kN载荷前，信号均可保持基本稳定趋势，当载荷增大至30 kN时，振铃计数开始明显升高，随后二次非线性系数出现第2次较大增幅，并持续增大至加载结束，从图4a非线性超声频谱图中也可以看出，加载结束时的基波幅值相比初始未加载前有明显降低。在此基础上，增加载荷间隔，其结果如图3b所示，试件b在2.5 kN加载循环后，首次出现声发射信号，但直至27.5 kN加载阶段前，声发射振铃计数一直相对较少，而对比二次非线性系数可以发现，在初始到20 kN阶段早期加载过程中，系数出现与试件a相同的递增现象，随后直至27.5 kN一直保持基本稳定趋势，随着载荷增大至30 kN开始，声发射振铃计数开始出现升高，随后随着载荷进一步增大，振铃计数随之也呈现快速升高趋势，而对比二次非线性系数可以发现，从30 kN开始系数呈现降低趋势，并随载荷递增，下降幅度逐级增大，从图4b可以看出加载结束时的二次谐波相比初始未加载前有明显降低。

图4 不同试件初始、结束状态频谱表征

经分析可知，随着损伤加剧裂纹间距逐步扩展，致使部分声波无法穿过损伤界面，因而导致非线性系数降低，而声发射由于采集的是损伤过程中活性缺陷发出的信号，所以在缺陷扩展过程中依然表现为信号的增加，从图3可以看出，计数的增加量与二次非线性系数的降低程度也基本吻合。

对比两组实验可以看出，试件b的损伤程度比试件a更加严重，这表明2.5 kN的阶梯加载方式相比5.0 kN的更易造成材料损伤。在两种加载方式下的早期加载阶段（20 kN以下加载段），二次非线性系数均呈现出递增趋势，而声发射信号在该阶段却并不明显，然而随着载荷的继续升高，声发射计数始终呈现与损伤一致的递增趋势。而二次非线性系数与声发射累计计数在试件b加载过程下的扩展阶段呈背离趋势，但变化程度相近。从二次非线性系数与三次非线性系数对比来看，二次系数相较更具有规律性。