CN102507744A - 一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，它包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪；所述两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连；本发明的装置具有实时信号反馈连续、灵敏度高、操作简便等特点，可动态提取和反馈复合材料在加载过程中出现的破坏失效信息，整体探测和评价整个复合材料结构的缺陷状态；适应于监控复合材料结构的早期或临近破坏特性预测。本发明方法通过声发射测试获取幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图，可准确、快速地确定复合材料在各个加载阶段的主导失效模式和失效机理，为深入研究复合材料的性能劣化机制提出技术支撑。

Description

一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料无损检测与健康监测研究领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料破坏失效声发射检测方法。

背景技术

碳纤维复合材料是目前国内外广泛研究和使用的先进复合材料，它是由若干纤维和基体经过物理和化学的方法宏观上复合制成，各组分之间能“取长补短”、“协同作用”，具有刚度和强度高、比重小、疲劳和断裂韧性好等优点，这些是一般的金属材料所不具备的，已在航空航天、压力容器和管道、新能源与节能、风力发电、汽车、海洋与船舶、土木、体育器材等领域显示出优越性，应用前景良好。

然而，由于复合材料的损伤失效机理十分复杂，主要失效模式分为层内和层间损伤。从微观力学来讲，复合材料层内损伤通常还包括纤维断裂、基体开裂和纤维/基体界面分离、纤维屈曲等。由于复合材料在微观上是不均匀的，纤维/基体分散性大，材料内部存在各种随机的缺陷（主要缺陷有：气孔、分层、疏松、越层裂纹、界面分离、夹杂、树脂固化不良和钻孔损伤等），材料内部微裂纹的产生、累积与裂纹的扩展将降低材料的强度与刚度，从而降低结构的使用寿命。因此，复合材料在服役过程中，对其进行无损检测和健康检测十分重要。

目前，针对复合材料的无损检测方法有射线检测技术（包括X射线，红外线，微波，CT照相等方法）、超声检测技术、声发射检测技术、涡流检测技术、敲击检测技术、光纤传感器检测技术等。射线检测虽然有检测速度快、精度高、结果直观等优点，但X射线、CT照相的检测设备复杂昂贵，需要进行安全防护。超声检测穿透能力大，探伤灵敏度高，但对工件表面光洁度要求较高，同时需要专业人员操作。涡流检测根据不同环氧树脂配比和纤维编制排列的材料的电导率不同来检测裂纹，仅适用于导电复合材料，对测试人员也需专门培训。敲击检测方法设备简单，操作方便，但仅适合大型复合材料结构的现场检验，对小缺陷灵敏度低；光纤应变传感器检测具有一系列的优点，如稳定性好、可靠性高、精度高、抗干扰、结构简单等，但设备昂贵，不适用于常规检测。

 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳纤维复合材料破坏失效声发射检测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，它包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪；其中，所述两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连。

进一步地，所述声发射仪主要由信号采集处理系统、记录与显示系统相连组成；所述带通滤波器与声发射仪的信号采集处理系统相连。

进一步地，所述两个传感器的间距由铅笔芯模拟声发射信号装置确定；所述铅笔芯模拟声发射信号装置包括：石墨铅笔芯、测力器、放大器、显示器、电容换能器、待测换能器、前置放大器、瞬态记录仪、计算机和函数记录仪，测力器固定在石墨铅笔芯上；测力器、放大器和显示器依次相连；电容换能器和待测换能器分别与前置放大器相连，前置放大器与瞬态记录仪相连，瞬态记录仪和函数记录仪分别与计算机相连。

一种应用上述声发射装置的碳纤维复合材料破坏失效声发射检测方法，该方法包括以下步骤：

（1）传感器间距的确定与安装：由铅笔芯模拟声发射信号装置确定两个传感器的间距，两个传感器固定在碳纤维复合材料表面，在传感器与待测碳纤维复合材料之间填充耦合剂，使得两者之间具有良好的声耦合；

（2）传感器获取复合材料破坏失效声发射信号，该信号经前置放大器放大后，由带通滤波器消除噪声，然后传送至声发射仪的信号采集处理系统；

（3）信号采集处理系统处理后，在记录与显示系统中显示实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图；

（4）由步骤3获得的实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图中得到的声发射信号来判断碳纤维复合材料破坏失效模式：当声发射信号的幅值为50-60dB时，表明基体开裂；当声发射信号的幅值为60-70dB时，表明界面脱粘、纤维拔出、横向撕裂；当声发射信号的幅值为70-80dB时，表明纤维拔出、纤维撕裂；当声发射信号的幅值≥80时，表明纤维束断裂。

本发明的有益效果是：

1、本发明的装置具有实时信号反馈连续、灵敏度高、操作简便等优点，可动态提取和反馈复合材料在加载过程中出现的破坏失效信息；一次试验中可整体探测和评价整个复合材料结构的缺陷状态；适应于监控复合材料结构的早期或临近破坏特性预测。

2、本发明的方法通过声发射测试获取的幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图，可准确、快速地确定复合材料在各个加载阶段的主导失效模式和失效机理，为深入研究复合材料的性能劣化机制提出技术支撑。

附图说明

图1是本发明装置的线框原理框图；

图2是铅笔芯模拟声发射信号装置图；

图3是铅笔芯破裂源标定法原理图。

具体实施方式

作为一种检测复合材料结构破坏失效特征的先进技术，声发射技术具有实时信号反馈连续、灵敏度高、操作简便等优点，可以提取和反馈复合材料动态损伤和失效过程中的信息。目前，国内外已开展了基于声发射技术的复合材料破坏失效研究，然而对含有多种铺层角度、不同开孔尺寸的复合材料层合板的破坏失效特性研究较少。因此，本发明提出一种能够检测不同铺层、不同开孔尺寸的复合材料层合板破坏失效特性的声发射技术方法，其研究对象主要以[0o]、[90o]或两种铺层相交的[0o/90o]、[45o/-45o]层合板为主，研究方法主要通过搭建复合材料声发射测试系统，提取声发射特征参数（如能量、频率和幅值等）随加载历程的关系曲线，深入剖析复合材料的损伤演化特性、失效机理和主导失效模式，为复合材料结构的安全运行提供一种无损检测方法。

声发射检测技术的工作原理是材料在加载条件下局部因能量快速释放而发出瞬态弹性波并最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将试样材料的机械振动转换成电信号，然后通过前置放大器放大，再通过信号采集系统与显示系统记录数据，最后根据观察到的声发射信号对数据进行分析，从而来评定声发射源的特性。

下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪，其中，声发射仪主要由信号采集处理系统、记录与显示系统相连组成。两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连。具体来说，带通滤波器与声发射仪的信号采集处理系统相连。

两个传感器的间距由铅笔芯模拟声发射信号装置确定，如图2所示，铅笔芯模拟声发射信号装置包括：石墨铅笔芯、测力器、放大器、显示器、电容换能器、待测换能器、前置放大器、瞬态记录仪、计算机和函数记录仪，测力器固定在石墨铅笔芯上，测力器、放大器和显示器依次相连；电容换能器和待测换能器分别与前置放大器相连，前置放大器与瞬态记录仪相连，瞬态记录仪和函数记录仪分别与计算机相连。

测试时，电容换能器和待测换能器置于碳纤维复合材料上，如图3所示，石墨铅笔芯的笔尖在待测碳纤维复合材料表面绕支点移动一段距离，在函数记录仪上即可显示两只传感器之间的间距。例如，在时差定位中，最大传感器间距所对应的传播衰减，不宜大于预定最小检测信号幅度与检测门槛值之差，如当门槛值为40dB，预定最小检测信号幅度为70dB衰减不宜大于30dB。传感器的标定由铅笔芯破裂源标定法（如图3所示）来确定。断裂铅笔芯可以产生一个阶跃函数形式的点源力，调节铅笔芯直径、长度和倾角就可以改变力的大小和方向，采用阶跃点力产生弹性波的格林函数数值计算方法，计算40微秒接收波形结果与试验相一致。

工作时，根据铅笔芯模拟声发射信号装置确定的间距，将两个传感器固定在待测碳纤维复合材料表面，传感器能排除噪音信号的干扰，敏锐观察到试样中破坏的信号。传感器将振动信号转换为声信号并传送至前置放大器，可以采用美国物理声学公司（PAC）的R6a型号的产品，但不限于此。前置放大器采用宽频带放大电路，其频率范围为50KHz–2MKHz。前置放大器输出的信号经带通滤波器过滤，消除噪声后传送至信号采集处理系统，记录与显示系统分析由传感器传递过来的弹性波，从而绘制出能量-时间图、计数-时间图、幅值-时间图和幅值-位置等曲线图，并在显示屏上显示出来。

本发明碳纤维复合材料破坏失效声发射检测方法，包括以下步骤：

1.传感器间距的确定与安装

由铅笔芯模拟声发射信号装置确定两个传感器的间距，两个传感器固定在碳纤维复合材料表面，在传感器与待测碳纤维复合材料之间填充耦合剂，使得两者之间具有良好的声耦合。耦合剂可以为凡士林，但不限于此。

2. 传感器获取复合材料破坏失效声发射信号，该信号经前置放大器放大后，由带通滤波器消除噪声，然后传送至声发射仪的信号采集处理系统。

3、信号采集处理系统处理后，在记录与显示系统中显示实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图。

4、由步骤3获得的实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图中得到的声发射信号来判断碳纤维复合材料破坏失效模式：具体如表1所示，当声发射信号的幅值为50-60dB时，表明基体开裂；当声发射信号的幅值为60-70dB时，表明界面脱粘、纤维拔出、横向撕裂；当声发射信号的幅值为70-80dB时，表明纤维拔出、纤维撕裂；当声发射信号的幅值≥80时，表明纤维束断裂。    

实施例

本发明碳纤维复合材料破坏失效声发射检测方法，包括以下步骤：

1.传感器间距的确定与安装

由铅笔芯模拟声发射信号装置确定两个传感器的间距，两个传感器固定在碳纤维复合材料表面，在传感器与待测碳纤维复合材料之间填充耦合剂，使得两者之间具有良好的声耦合。耦合剂可以为凡士林，但不限于此。

2.获取复合材料破坏失效声发射信号

运用电液伺服材料试验系统（MTS810-25ton）对[0o/90o]、[45o/-45o]、[0o/45o/90o/-45o]和[90o/45o/0o/-45o]等多种铺层角度、不同开孔尺寸的的层合板试样进行拉伸试验，运用美国PAC公司生产的48通道声发射仪监测复合材料的整个加载破坏过程获取声发射信号以及能量-时间图、计数-时间图、幅值-时间图和幅值-位置曲线图。

3.信号采集处理系统处理后，在记录与显示系统中显示实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图。

4.基于声发射信号的复合材料失效模式剖析

基于在加载过程中获取的实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图，对复合材料的失效机理和主导失效模式进行剖析。从幅值-时间图、能量-时间图曲线来看，纤维断裂产生的声发射信号达到80dB以上，且能量值较高，对材料的破坏程度影响最大，但数量较少且主要集中在邻近断裂阶段；来自基体裂纹破坏的信号幅度在50-60dB附近，能量值较低，对材料整体力学性能影响不大；来自界面破坏的信号幅度主要在60-70dB附近，信号数量较多，能量值有所变化，对材料力学性能产生一定的影响；来自纤维拔出、纤维断裂的信号幅度主要在70-80dB附近，对材料力学性能影响较大。而从计数-时间图来看，前期只有少量基体裂纹，计数曲线缓慢增长，到了中期伴随有界面破坏、纤维拔出等破坏方式产生时，计数曲线斜率有较大的增长，到了后期由于纤维断裂的声发射信号数量少，所以计数曲线斜率相对变化不大，但还是会有略微增长。而从幅值-位置曲线图来看，带孔的试样在开孔位置和试样两端的信号数量较大，幅值也较高，而不带孔的试样其声发射信号于试样上分布较均匀。不同铺层角度的碳纤维复合材料在加载过程中所产生的主导失效模式与声发射信号振幅之间的关系总结于表1中。

表1 复合材料不同失效模式对应的声发射幅值

通过对不同铺层角度、带孔尺寸的复合材料试样在拉伸载荷作用下进行声发射测试试验，获得了碳纤维复合材料的破坏失效模式与声发射信号的振幅之间存在以下映射关系：

（1）[0o/90o]4s铺层带孔试样的声发射实验结果表明，早期声发射信号数量少、幅度小、能量值低，中期信号数量急剧增加，幅值与能量值也显著提升，并开始出现90dB以上的高幅度信号，到断裂前信号数量增加幅度较小，但能量值却急剧增加，出现了较多90dB以上的高幅度信号。而从断裂位置来看，试样中间有圆孔部位信号数量较多，90dB以上的高幅度信号也多集中于此，可见试样最终由中间断裂，这是因为在拉伸开始阶段，纤维束处于弹性变化破坏点不多，主要为界面开始发生少量破坏。随着拉伸应力的不断加大，产生大量的横向界面和纵向界面的破坏，进入破坏的中期，部分纵向纤维发生不同时断裂，造成应力的波动和分布不均匀，从而加速了周围基体和界面的进一步破坏。纵向和横向层间的粘结作用，使得横向纤维束对纵向纤维的断裂发展起到一定程度的抑制，但是同时横向纤维束与基体也开始发生界面的脱粘，以及层间的破坏也进一步加剧。到了破坏后期，层间和横向纤维束的界面作用，已经对整个材料的纵向拉伸强度不起作用，此时纵向纤维束对承拉起主要作用，随着纵向纤维的不同时断裂数量的增多，使得剩余纵向纤维无法承受过大的拉伸载荷，而发生断裂。

（2）[0o/45o/90o/-45o]2s铺层带孔试样的声发射实验结果表明，从信号数量和幅值时域分布来看，破坏早期信号数量少，破坏中期信号数量增加，幅值主要为50-80dB，临近断裂时信号数量急剧增加，主要为80dB以上的高幅值信号。这是因为在拉伸载荷作用的早期，试样由于45o与-45o铺层的纤维铺层角度大，载荷先由纤维和界面承受，在纤维方向和界面上产生应力集中，使试样处于弹性阶段。随着载荷的进一步加大，斜交铺层产生纤维拔出和界面脱粘，载荷渐渐转移到0o层，此时0o层界面初始缺陷处开始发生少量微观破坏，并不断发展形成界面的破坏和基体破坏。随后破坏进一步加剧，导致部分纤维开始发生不同时断裂，这种局部的应力波动，加速了断裂纤维处的基体和界面的损伤。进入破坏的后期，载荷加载到拉伸性能较差的90o层，其界面性能薄弱导致复合材料的协同作用不能很好的发挥，同时界面破坏也导致应力传递作用失效，从而纤维随机断裂现象不断增加，试样产生垮塌现象，能量急剧升高，最终剩余的纤维束不能承受过大的载荷而发生整体断裂。

（3）[90o/45o/0o/-45o]2s铺层带孔试样的声发射实验结果表明，其能量分布情况为，前期信号较少，中期就出现较大能量，后期有所下缓。声发射信号数量更多，且大于90dB的高幅值信号也很多，主要集中于中后期，在整个试样分布的声发射信号也比较均匀，可见该试样破坏严重，最终也从中间断裂。这是因为在拉伸初期，由于斜交铺层纤维铺层角度大，载荷主要由纤维和界面承受，其拉伸性能好，试样受损程度低。其后随着拉伸负荷的不断增加，90o层开始受到载荷做用，而其界面的原始缺陷沿纤维方向扩展形成界面横向破坏，并且在应力集中严重部位开始出现界面裂纹不断扩展，试样最终因界面发生严重的脱粘而分离断裂。整个破坏过程有阶段性主要特征，但各种破坏模式相互影响，尤其是界面的横向裂纹扩展，导致基体和纤维界面破坏加剧，加速了界面的脱粘和界面最终分离。这种界面脱粘而发生的断裂，其位置完全随机，主要取决于纤维束内部与基体界面结合最薄弱处。其后由拉伸性能较好的0o层限制着试样的破坏，使得试样破坏有所缓解。最终当0o层的纤维也开始断裂时，整个试样就整体发生了断裂。

Claims (4)

1.一种检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，其特征在于，它包括两个传感器、前置放大器、带通滤波器和声发射仪等；其中，所述两个传感器分别与前置放大器相连，前置放大器、带通滤波器和声发射仪依次相连。

2.根据权利要求1所述检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，其特征在于，所述声发射仪主要由信号采集处理系统、记录与显示系统相连组成；所述带通滤波器与声发射仪的信号采集处理系统相连。

3.根据权利要求1所述检测碳纤维复合材料破坏失效的声发射装置，其特征在于，所述两个传感器的间距由铅笔芯模拟声发射信号装置确定；所述铅笔芯模拟声发射信号装置包括：石墨铅笔芯、测力器、放大器、显示器、电容换能器、待测换能器、前置放大器、瞬态记录仪、计算机和函数记录仪等，测力器固定在石墨铅笔芯上；测力器、放大器和显示器依次相连；电容换能器和待测换能器分别与前置放大器相连，前置放大器与瞬态记录仪相连，瞬态记录仪和函数记录仪分别与计算机相连。

4.一种应用权利要求1所述声发射装置的碳纤维复合材料破坏失效声发射检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）传感器间距的确定与安装：由铅笔芯模拟声发射信号装置确定两个传感器的间距，两个传感器固定在碳纤维复合材料表面，在传感器与待测碳纤维复合材料之间填充耦合剂，使得两者之间具有良好的声耦合；

（2）传感器获取复合材料破坏失效声发射信号，该信号经前置放大器放大后，由带通滤波器消除噪声，然后传送至声发射仪的信号采集处理系统；

（3）信号采集处理系统处理后，在记录与显示系统中显示实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图；

（4）由步骤3获得的实时幅值-时间图、能量-时间图、计数-时间图和幅值-位置曲线图中得到的声发射信号来判断碳纤维复合材料破坏失效模式：当声发射信号的幅值为50-60dB时，表明基体开裂；当声发射信号的幅值为60-70dB时，表明界面脱粘、纤维拔出、横向撕裂；当声发射信号的幅值为70-80dB时，表明纤维拔出、纤维撕裂；当声发射信号的幅值≥80时，表明纤维束断裂。

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