基于聲發(fā)射技術(shù)的三維編織復(fù)合材料壓縮破壞分析

嚴(yán) 實(shí)，李冬華，泮世東，馮吉才

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料工程與科學(xué)博士后流動(dòng)站，哈爾濱 150001；2哈爾濱理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

三維編織復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)材料，由于其具有良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，因此在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外許多學(xué)者都致力于三維編織復(fù)合材料的研究，并在編織復(fù)合材料理論和應(yīng)用方面取得了許多成果［1］。

聲發(fā)射是指物體受到外界作用時(shí)，內(nèi)部的應(yīng)變能以彈性波的形式迅速釋放出來的物理現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，即材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動(dòng)變化過程中的檢測(cè)。由于復(fù)合材料組分和結(jié)構(gòu)形式的多樣性以及應(yīng)力狀態(tài)的不同，其損傷機(jī)理和破壞模式也各不相同，對(duì)此類材料的損傷描述也多采用不同的AE參數(shù)進(jìn)行多參數(shù)綜合分析［2］。

目前，國內(nèi)外研究者對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在材料損傷檢測(cè)方面的應(yīng)用做了大量工作，涉及的材料幾乎涵蓋了所有工程材料。Morscher［3］對(duì)二維編織SiC／SiC復(fù)合材料進(jìn)行了單向拉伸、卸載、再加載試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用雙探頭線定位全程動(dòng)態(tài)AE檢測(cè)，給出了不同載荷下試件損傷AE波形及其FFT變換，通過AE波形FFT描述不同的損傷模式，并探討了損傷對(duì)材料彈性模量和聲速的影響規(guī)律。Johnson［4］等利用聲發(fā)射事件數(shù)和波形特征對(duì)復(fù)合材料層合板拉伸損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用聲發(fā)射累積事件數(shù)和波形形態(tài)描述了損傷發(fā)展和不同類型的損傷。王健［5］等對(duì)炭／環(huán)氧復(fù)合材料聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了小波分析，通過對(duì)比三點(diǎn)彎曲下不同損傷模式AE波形和FFT（快速傅里葉變換）波形，給出纖維斷裂、基體開裂、界面分離、分層、界面摩擦損傷的AE參數(shù)特征。矯桂瓊等［6，7］針對(duì)三維編織C／SiC復(fù)合材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了材料拉伸、壓縮的主要力學(xué)性能參數(shù)，并對(duì)材料的損傷演化及破壞規(guī)律進(jìn)行了聲發(fā)射參數(shù)分析和損傷模式識(shí)別。萬振凱和李靜東［8］論述了聲發(fā)射技術(shù)在三維編織復(fù)合材料壓縮過程中的應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)方法，給出了聲發(fā)射在三維編織復(fù)合材料壓縮過程中的特征。任會(huì)蘭等［9］對(duì)陶瓷材料在兩種壓縮加載下破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，文獻(xiàn)［10，11］中對(duì)三維編織薄板試件的壓縮破壞特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

為較為系統(tǒng)地分析編織參數(shù)對(duì)三維四向編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能及其損傷演化過程的影響規(guī)律，本工作針對(duì)不同編織角度的三維四向編織復(fù)合材料的薄板試件進(jìn)行了壓縮破壞實(shí)驗(yàn)，并利用聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)其損傷破壞過程。通過聲發(fā)射的能量、事件率、峰值頻率和幅度等特征參數(shù)，采用多參數(shù)歷程圖分析法，并結(jié)合載荷－位移曲線，從宏觀角度描述了三維編織復(fù)合材料壓縮的損傷發(fā)展過程，揭示了三維編織復(fù)合材料壓縮過程中的損傷發(fā)展和演化規(guī)律。通過對(duì)三維編織復(fù)合材料壓縮過程中聲發(fā)射信號(hào)的頻譜分析，得出了不同類型損傷的頻譜特性，在細(xì)觀上研究了三維編織復(fù)合材料壓縮損傷機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為三維四向炭／環(huán)氧編織復(fù)合材料，由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制。基體材料為TDE－86環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)纖維為T300炭纖維，纖維束規(guī)格為12K，經(jīng)RTM工藝固化成型。為了更好地研究三維四向編織復(fù)合材料的壓縮損傷過程，選用了三種不同編織工藝參數(shù)的試件，試件的工藝參數(shù)如表1所示。試件形狀、尺寸及探頭安裝位置如圖1所示。

所有實(shí)驗(yàn)均通過INSTRON（5569）電子拉伸機(jī)對(duì)試件進(jìn)行加載。采用位移控制加載，加載速率為1mm／min。并采用PAC公司 MISTRAS－2001全數(shù)字式聲發(fā)射系統(tǒng)，用寬頻（WD）探頭采集聲發(fā)射信號(hào)，探頭頻率范圍為100～1000kHz，增益設(shè)為40dB，信號(hào)觸發(fā)門檻值為45dB。

表1 三維四向炭／環(huán)氧編織復(fù)合材料試件的相關(guān)參數(shù)Table 1 The parameters of 3D4－directional carbon／epoxy braided composites

圖1 壓縮試件尺寸及聲發(fā)射探頭位置（單位：mm）Fig.1 Dimension of compressive specimen and location of AE sensors（unit：mm）

2 試件斷口細(xì)觀形貌

試件軸向壓縮斷口照片如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，C1試件的破壞模式主要是纖維束的脆性斷裂，斷口基本平齊。纖維束脆性斷裂過程可通過分析壓縮斷口形貌得到，即試件在一定壓縮載荷作用下，纖維束層間較弱的部分出現(xiàn)橫向裂紋，說明該試件在壓縮破壞時(shí)，纖維束承擔(dān)主要的載荷并處于一種較為均勻的壓縮狀態(tài)，基體變形相對(duì)較大，只能通過剪切力作用于纖維束，隨著載荷進(jìn)一步增加，橫向裂紋擴(kuò)展，增強(qiáng)纖維的脆性斷裂導(dǎo)致了試件最終失效。在承載過程中，裂紋也會(huì)沿著編織角方向的纖維束界面開裂。

圖2（b）給出了C2試件的軸向壓縮斷口照片。當(dāng)編織角度大于某個(gè)角度時(shí)，試件的破壞模式主要是沿著編織角方向纖維束的剪切破壞，這與C1試件的破壞模式明顯不同。從圖中可以看出，纖維束以及纖維束邊界有非常明顯的剪切破壞痕跡。在壓縮過程中，基體承受一定的載荷，纖維束界面處有較大的應(yīng)力集中，因而基體會(huì)同時(shí)開裂。這說明在編織角度較大的情況下試件的主要承載對(duì)象不僅僅是纖維束，基體的貢獻(xiàn)也明顯增加。在一定的壓縮載荷作用下，纖維束間擠壓作用使得纖維束在剪切應(yīng)力的作用下發(fā)生剪切破壞，這種剪切應(yīng)力也促使基體開裂。隨著損傷的累積和纖維束與基體界面的逐步破壞，纖維束與基體的黏接面被破壞，基體無法再支撐纖維束，此時(shí)纖維束會(huì)沿著編織角方向剪切破壞。

圖2（c）給出了C3試件的軸向壓縮斷口照片。圖2（c）表明，隨著編織角度的進(jìn)一步增加，試件基體以及纖維束與基體界面的破壞也更加明顯，壓縮試件隨基體與纖維束的剝離而呈現(xiàn)網(wǎng)格狀突起。在編織角度較大的情況下，基體承力較大，纖維束交界處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致基體開裂。當(dāng)載荷達(dá)到一定水平后，纖維束邊界與基體的粘接被破壞，界面發(fā)生脫膠分離。隨著載荷進(jìn)一步增加，纖維束表面的基體完全被壓碎、剝離，此時(shí)纖維束承受大部分壓縮載荷，橫向的膨脹使材料逐漸變得松散屈曲，從而導(dǎo)致試件承載能力不斷下降，但纖維束結(jié)構(gòu)基本上還保持完整。

圖2 材料軸向壓縮的斷口照片 （a）C1；（b）C2；（c）C3Fig.2 Microscopic fracture surface of specimens under longitudinal compression （a）C1；（b）C2；（c）C3

3 聲發(fā)射信號(hào)特征

3.1 聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分析

三維四向編織復(fù)合材料壓縮試件的典型載荷－位移曲線及相應(yīng)的AE信號(hào)參數(shù)變化如圖3～5所示。這里分析的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)包括能量（信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積）、事件率（產(chǎn)生聲發(fā)射的一次材料局部變化稱為一個(gè)聲發(fā)射試件，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率）、峰值頻率（信號(hào)波形經(jīng)過快速傅里葉變換后頻譜曲線的峰值）和幅度（信號(hào)波形的最大振幅值，通常用dB表示）。根據(jù)累積聲發(fā)射能量和事件率的變化，參照峰值頻率和幅度的改變，結(jié)合壓縮試件的載荷－位移曲線以及不同工藝參數(shù)壓縮試件的不同破壞機(jī)理，把三維四向編織復(fù)合材料的壓縮損傷過程基本分為以下四個(gè)階段。

圖3 C1試件的載荷－位移曲線與相應(yīng)的AE行為分布 （a）AE累積能量；（b）AE事件率；（c）AE峰值頻率；（d）AE幅度Fig.3 Load－displacement curves and distribution of AE behavior of C1specimen（a）cumulative AE energy；（b）AE event rate；（c）AE peak frequency；（d）AE amplitude

第一階段（初始損傷階段）：此階段可細(xì)分為兩個(gè)區(qū)域，完全彈性區(qū)和初始損傷區(qū)。在完全彈性階段，沒有檢測(cè)到聲發(fā)射信號(hào)，這就表明試件整體處于完全彈性，沒有損傷產(chǎn)生。在初始損傷階段，AE累積能量和事件率變化不大，AE事件的峰值頻率和幅度集中在低頻低幅度區(qū)域，這表明試件在加載初期有少量損傷產(chǎn)生，每個(gè)損傷的能量較低，主要是基體裂紋（峰值頻率低（＜100kHz）且幅度較小（低于60dB））以及弱連接界面脫膠（峰值頻率較低（一般在250kHz左右）且幅度較小（低于60dB））。

從圖3～5可看出，初始損傷階段的長短和壓縮試件的編織參數(shù)有著一定的關(guān)系。對(duì)于不同編織角的試件，如C1，C2和C3，隨著編織角的增加，初始損傷階段逐漸縮短。主要原因是在相同的載荷情況下，編織角較大的試件，其基體承受更多的載荷，這樣導(dǎo)致大量的基體裂紋和弱連接界面的脫膠，以及纖維／基體界面不光滑引起的界面摩擦（峰值頻率較低（＜200kHz）且幅度較小（低于60dB））。

第二階段（損傷演化階段）：此階段AE累積能量和事件率隨著載荷的增加逐漸上升，這表明試件產(chǎn)生大量穩(wěn)態(tài)發(fā)展的損傷，其發(fā)展速度基本不變。AE累積能量和事件率的小幅波動(dòng)說明了損傷發(fā)展的漸進(jìn)性；AE峰值頻率和幅度參數(shù)變化基本穩(wěn)定，可以判定損傷類型基本相同，這階段的損傷主要是以基體開裂為主。

由于三維編織復(fù)合材料壓縮試件的有效標(biāo)記段較拉伸試件的短很多，且其損傷部位比較集中，因此壓縮試件的損傷演化階段相對(duì)較短，受試件編織工藝參數(shù)的影響不大。然而，AE參數(shù)的變化受試件編織工藝參數(shù)影響較大。隨著編織角的增加，AE累積能量和事件率基本呈級(jí)數(shù)增長（如C1和C2試件），這與拉伸試件的變化趨勢(shì)基本類似。對(duì)于不同纖維體積含量的壓縮試件，纖維體積含量高的試件的AE參數(shù)變化，如AE累積能量和事件率，基本與纖維體積含量低的試件在同一量級(jí)，但前者略低于后者（如C2試件）。這些變化趨勢(shì)說明，在壓縮過程中，纖維束承受主要的載荷，編織角變小，纖維體積含量較低，試件易于出現(xiàn)基體開裂以及界面脫膠等損傷模式。

第三階段（損傷破壞階段）：對(duì)于編織角不同的壓縮試件，由于其破壞模式不同，因此這個(gè)階段的AE累積能量和事件率的變化也有所不同。

編織角較小的壓縮試件整體破壞（C1試件）時(shí)，AE累積能量急劇升高，說明損傷是大能量的損傷。此時(shí)的AE幅度主要分布在高幅度區(qū)域，與高能量分布相對(duì)應(yīng)。這個(gè)階段只出現(xiàn)一次AE能量的突變，壓縮試件的載荷－位移曲線也表明試件的最終破壞形式是突發(fā)性脆性斷裂。試件的斷口比較平齊，這說明纖維束不是逐步被壓斷，而是幾乎同時(shí)被壓斷的。其主要原因在于：對(duì)于壓縮試件，裂紋沿纖維束方向擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力較小，壓縮載荷主要由纖維束承受。纖維束壓斷與裂紋沿纖維束擴(kuò)展的兩種破壞模式相比，試件以纖維束壓斷為主要的破壞模式，最終導(dǎo)致試件失效，此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)特征是低頻率（＜100kHz），高幅值（大于80dB））。

編織角較大的壓縮試件（C2和C3試件），AE累積能量的增加幅度也隨著編織角變化。對(duì)于C2試件，損傷破壞階段AE累積能量的增加幅度要高于損傷演化階段，出現(xiàn)大量高頻率（600kHz左右）中幅度的信號(hào)（65～85dB），試件的破壞模式主要是纖維束沿編織角方向的剪切破壞。隨著編織角進(jìn)一步增加（C3試件），第三階段的AE累積能量的變化趨勢(shì)低于第二階段，出現(xiàn)了中高頻率（350～450kHz）中幅度的信號(hào)（65～80dB），試件的主要破壞模式是纖維束／基體界面的剝離。

第四階段（試件失效階段）：只有在編織角較大的試件（C2和C3試件）中才存在這個(gè)階段。此時(shí)，試件已經(jīng)失效，但還具有一定的承載能力。這是因?yàn)樵趬嚎s載荷作用下，試件失效處的纖維束還有相互作用。對(duì)于C2試件而言，該階段的破壞模式主要為纖維束間的摩擦滑移；對(duì)于C3試件，該階段的破壞模式主要是沒有基體支撐的纖維束的松散屈曲。

總的來說，試件破壞模式可主要分為兩類，即低頻的脆性信號(hào)特征和中高頻的塑性信號(hào)特征，且在材料的損傷演化過程中，兩類信號(hào)特征相互摻雜在一起（有的信號(hào)還同時(shí)具有脆性和塑性的特征），不易區(qū)分。

3.2 聲發(fā)射信號(hào)頻譜分析

聲發(fā)射的能量、事件數(shù)和幅值與損傷的大小，擴(kuò)展的快慢有直接的關(guān)系，用于表征試件宏觀損傷演化十分有用。然而這些信號(hào)受到傳播衰減和反射波的疊加等影響，很難與損傷的形式建立直接的聯(lián)系。聲發(fā)射頻率特性是通過對(duì)一個(gè)聲發(fā)射波形進(jìn)行頻率分布的分析得到的，即頻譜。聲發(fā)射的頻譜特性一般受其他因素的干擾較小，不同細(xì)觀損傷源所發(fā)出聲波的能量、事件數(shù)、振幅可能相同，但頻率一般不同。因此，聲發(fā)射的頻譜特性的分析可能成為判斷損傷類型的有效方法［12］。

聲發(fā)射信號(hào)的波形幾乎無損失地含有聲發(fā)射源的全部信息，波形信號(hào)的分析更適合細(xì)觀損傷機(jī)理的描述。這里采用寬頻探頭對(duì)三維編織試樣壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取全部的聲發(fā)射波形信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過快速Fourier變換（FFT）處理，提取其實(shí)部參數(shù)進(jìn)行分析。三維四向編織復(fù)合材料壓縮測(cè)試中，試件破壞階段的典型聲發(fā)射信號(hào)的FFT實(shí)部參數(shù)波形如圖6～8所示。

從圖6中可以看出，C1試件破壞時(shí)原始波形幅值很大，是大幅值高能量的信號(hào)特征，其峰值頻率在100kHz左右，這是材料的脆性斷裂特征引起的。聲發(fā)射信號(hào)的能量與材料損傷試件產(chǎn)生的缺陷尺寸有關(guān)。當(dāng)裂紋（基體裂紋為主）由穩(wěn)定擴(kuò)展進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展（大量的基體斷裂和纖維束斷裂），釋放的應(yīng)變能足夠大時(shí)，可以聽到材料斷裂爆音（高能量低頻率信號(hào)）［7］。

對(duì)于C2和C3試件而言，雖然也有高能量低頻率的脆性斷裂信號(hào)出現(xiàn)，但與C1試件相比，其脆斷的特征不明顯。圖7中是在這兩種試件都出現(xiàn)的波形信號(hào)特征，波形持續(xù)時(shí)間較短，且幅值不大，但其峰值頻率高（600kHz左右），為塑性信號(hào)特征，因此C2和C3試件有明顯的非線性趨勢(shì)。此外，C3試件還有C2試件不具有的特征波形（圖8所示），此波形在初始損傷階段和損傷破壞階段都有出現(xiàn)，說明和C3試件特有的破壞模式（纖維束／基體界面的剝離）有關(guān)，從波形圖和頻譜圖中可以看出，這種破壞模式也具有塑性信號(hào)的高頻率低幅值的特征。

4 結(jié)論

（1）聲發(fā)射技術(shù)對(duì)三維編織復(fù)合材料損傷表征和安全性、完整性評(píng)價(jià)非常有效。

（2）三維編織復(fù)合材料的壓縮損傷過程可根據(jù)其聲發(fā)射參數(shù)歷程圖和載荷－位移曲線分為四個(gè)不同的損傷階段，即初始損傷階段、損傷演化階段、損傷破壞階段和試件失效階段。編織角不同的壓縮試件其損傷階段劃分亦不同。

（3）三維編織復(fù)合材料試件的頻譜分析。揭示了材料損傷基本上是不同類型損傷的組合，很少有單一損傷獨(dú)立發(fā)生。

（4）分析了主要破壞模式相應(yīng)的AE參數(shù)，可用于實(shí)驗(yàn)過程中破壞模式的識(shí)別及材料損傷演化過程的研究。

［1］吳德隆，沈懷榮.紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，1998.

［2］張鳳林，韓維，胡國才，等.聲發(fā)射技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究［J］.無損檢測(cè)，2004，22（4）：157－161.

［3］MORSCHER G N.Modal acoustic emission of damage accumulation in a woven SiC／SiC composite［J］.Composites Science and Technology，1999，59（5）：687－697.

［4］JOHNSON M，GUDMUNDSON P.Experimental and theoretical characterization of acoustic emission transients in composite laminates［J］.Composites Science and Technology，2001，61（10）：1367－1378.

［5］王健，金周庚，劉哲軍.C／E復(fù)合材料聲發(fā)射信號(hào)小波分析及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別［J］.宇航材料工藝，2001，（1）：49－57.

［6］王波，矯桂瓊.三維編織C／SiC復(fù)合材料的拉壓實(shí)驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2004，21（3）：110－114.

［7］常巖軍，矯桂瓊，張克實(shí)，等.3DC／SiC復(fù)合材料拉伸性能的聲發(fā)射研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27（6）：82－87.

［8］萬振凱，李靜東.三維編織復(fù)合材料壓縮損傷聲發(fā)射特征分析［J］.紡織學(xué)報(bào)，2006，27（2）：20－24.

［9］任會(huì)蘭，方敏杰，賀建華.壓縮載荷下陶瓷材料聲發(fā)射特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程，2012，（2）：30－34.

［10］陳利，梁子青，馬振杰，等.三維五向編織復(fù)合材料縱向性能的實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.材料工程，2005，（8）：3－6.

［11］嚴(yán)實(shí)，吳林志，孫雨果.三維四向編織復(fù)合材料壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.材料工程，2007，（3）：59－62.

［12］LEE M R，LEE J H，KWON Y K.A study of the microscopic deformation behavior of Nb3Sn composite superconducting tape using the acoustic emission technique［J］.Composites Science and Technology，2004，64（10）：1513－1521.