碳纖維編織復合材料彎曲損傷破壞聲發射監測

張鵬飛 商雅靜 周偉 趙文政

摘要：為研究碳纖維編織復合材料的彎曲損傷與破壞行為，結合聲發射（AE）與數字圖像相關（DIC）方法互補實驗技術，對復合材料在四點彎曲載荷作用下的失效過程進行監測，動態獲取AE特征信號和對應的散斑圖像，并根據DIC算法得到復合材料在加載過程中的全場變形和應變。結果表明：AE信號在碳纖維編織復合材料中近似呈指數衰減，與諧振式AE傳感器相比，寬頻帶式AE傳感器表現出更好的測量性能;復合材料彎曲加載前期，無明顯損傷出現，AE信號較少，對應的位移場和應變場變化平穩;復合材料彎曲破壞對應較高持續時間、幅度和相對能量的AE信號。復合材料損傷演化過程的AE響應行為及對應位移場、應變場的變化反映復合材料的變形與損傷破壞過程，為碳纖維編織復合材料的無損評價、健康監測與失效分析提供借鑒。

關鍵詞：碳纖維編織復合材料;四點彎曲;聲發射;數字圖像相關

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0047-07

收稿日期：2018-04-05;收到修改稿日期：2018-05-09

基金項目：國家自然科學基金（11502064）;河北省自然科學基金（E2016201019）

作者簡介：張鵬飛（1994-），男，河北石家莊市人，碩士研究生，專業方向為復合材料聲發射檢測。

通信作者：周偉（1980-），男，河南信陽市人，教授，博士，主要從事復合材料聲學及光學無損檢測技術研究。

0 引言

碳纖維編織復合材料具有比強度高、比模量高等優良特性，在航空航天及民用領域得到了廣泛應用[1-2]。然而，在長期服役過程中，由于受到面外沖擊，復合材料常常會出現基體開裂，纖維脫粘，纖維失效等多種損傷[3]。因此，研究彎曲載荷下碳纖維編織復合材料的力學性能和損傷破壞機理對保證復合材料服役過程中的結構健康具有重要意義[4-5]。

聲發射（acoustic emission，AE）檢測技術通過分析采集的聲發射信號實現對材料或結構缺陷的動態監測并記錄其損傷的萌生與演化[6-8]。張志強等[9]通過斷鉛實驗，并結合小波變換進行對AE特征參數和損傷源定位試驗研究。結果表明：AE計數、能量和有效值對斷鉛具有較高的檢測靈敏度;并驗證利用小波變換去噪和多通道AE系統定位的可行性。Mahdian A等[10]對玻璃纖維復合材料進行低速沖擊試驗并記錄期間的AE信號，提出基于AE小波變換方法可以預測總損傷面積，并驗證AE小波變換方法可以有效表征沖擊載荷下復合材料的結構損傷。

針對碳纖維編織復合材料彎曲損傷，國內外學者進行了大量研究。龍憲海等[11]對碳纖維復合材料彎曲損傷破壞過程中產生的AE信號進行了分析，結果表明AE信號的累計撞擊數可有效地描述復合材料試樣在彎曲加載下的損傷演化過程。Liu等[12]在不同溫度下對具有初始層間裂紋的碳纖維復合材料進行不同搭接方式的彎曲實驗，通過分析AE響應過程，比較加載條件和初始層間裂紋長度對復合材料損傷和分層的影響，表明最初的層間裂紋會隨著分層擴展而加劇復合材料的層間損傷。數字圖像相關（digital image correlation，DIC）方法是一種對全場變形、應變、運動的非接觸測量手段[13]。Murthy等[14]采用DIC方法對碳纖維復合材料進行疲勞實驗，證明局部橫向應變可以作為疲勞損傷演化的指標。余海燕等[15]對碳纖維與異質材料的粘接搭接試樣進行單向拉伸試驗，結合DIC方法對接頭的面內應變和法向變形進行了監測，研究表明碳纖維粘接搭接接頭的宏觀失效存在碳纖維板纖維斷裂、粘接層剪裂、撕裂、粘接界面破壞等多種破壞形式。可見，結合AE與DIC互補技術，為研究碳纖維編織復合材料的彎曲損傷破壞提供了有效途徑。

本文首先利用兩種傳感器進行AE信號衰減測量實驗，比較兩種傳感器的特性;在此基礎上，結合AE和DIC互補技術監測碳纖維編織復合材料在彎曲載荷作用下的破壞失效過程，研究復合材料損傷演化過程中AE響應特性以及表面變形場，為復合材料的健康監測與無損評價提供基礎。

1 實驗部分

1.1 復合材料試件制備

實驗中用碳纖維編織復合材料以12層6K正交編織的碳纖維平紋編織布鋪成200mm×200mm的層合板，再按照100：34的質量比配置環氧樹脂和固化劑的混合液，保持室溫條件，采用真空灌注的方法對復合材料進行鋪灌，然后放置48h，再將其放入100℃的真空干燥箱持續8h進行固化，最后冷卻至室溫，按照實驗要求，加工成尺寸為180mm×25mm的試件，試件厚度為（4.6±0.1）mm。為了對復合材料位移場、應變場進行測量，在試件側面噴涂180mm×4.6mm人工散斑。

1.2 傳感器AE衰減特性

以Φ0.5mm鉛芯為模擬AE源，利用AMSY-5全波形AE設備實時監測并記錄AE信號。分別采用的VS150-RIC型諧振式傳感器（100～450kHz，內置前置放大增益為34dB）和RS-54A型寬頻帶式傳感器（100900kHz，外接前置放大增益為40dB），設置中心頻率為150kHz，采樣頻率為10MHz，門檻值為40dB。利用凡士林將傳感器與試件之間耦合。將傳感器分別置于距模擬AE源40mm、80mm、120mm、160mm位置處進行碳纖維編織復合材料衰減測量。

碳纖維編織復合材料上兩種傳感器的AE信號幅度衰減如圖1所示，實驗結果表明，在該材料上檢測到的信號幅值隨距離的增加表現出類似指數衰減的特征;對比兩種傳感器的AE信號衰減曲線，可以看出寬頻帶式傳感器的幅值衰減明顯小于諧振式傳感器，而且通過誤差棒可以表明在多次重復測量下寬頻帶傳感器幅值相對于諧振式傳感器不確定度較小;因此，寬頻帶式傳感器更適合進行碳纖維編織復合材料四點彎曲試驗的AE信號監測。

1.3 力學實驗過程

圖2為復合材料試件四點彎曲試驗操作示意圖，根據跨厚比為32：1的試驗標準，將試件跨距設置為148mm。傳感器放在試件兩端用膠帶將其固定，用凡士林進行耦合，傳感器間距為40mm，聲發射信號采集門檻設置為40dB，采樣頻率為3MHz。試驗采用位移控制加載，保持加載速率恒定，以5.0mm/min的速率連續進行彎曲加載，用冷光源對復合材料試件散斑區域進行照明，使用CMOS相機每隔0.5s對散斑圖像進行一次采集，直至試件破壞。

2 結果與討論

2.1 復合材料彎曲力學行為

圖3為碳纖維編織復合材料試件四點彎曲試驗的彎曲載荷-AE能量-時間曲線。試件的力學性能曲線表現出良好的線性特征;隨著載荷的增加，復合材料在彎曲形變的過程中，損傷破壞不斷累積，沿纖維方向產生基體裂紋，基體內部出現分層破壞，這主要是由于層間的應力超過了粘結層的強度極限，在此過程中伴隨著層間剝離和層間的粘結破壞，之后出現纖維/基體界面損傷、分層擴展、纖維斷裂等損傷，直至復合材料試件完全破壞。復合材料彎曲失效載荷的均值為1.78kN，標準偏差為0.16kN，彎曲強度為25MPa。

復合材料四點彎曲加載損傷特征如圖4所示，圖4（a）為試件側面照片，可以看出明顯的分層現象，其原因可能是試件隨著受載的增大，沿纖維方向會出現基體開裂，經過損傷加劇，從而產生分層擴展和纖維斷裂等破壞，并最終導致試件斷裂失效;圖4（b）為試件底部照片，表明試件下表面表現出明顯的纖維拔出現象，這種破壞形式的出現是由于試件底部受到拉力的作用，結合圖4（a）試件上表面出現明顯的壓潰，證明復合材料在四點彎曲試驗中承受拉力和壓力雙重載荷的作用。

2.2 彎曲加載下復合材料的AE分析

結合圖3 AE能量隨時間變化曲線可以看出，在碳纖維編織復合材料彎曲加載的初期階段，損傷較小，能量水平較低，且事件數也較少;隨著載荷增加，試件出現了一定的損傷破壞，能量逐漸提高，事件數是也逐步增多;載荷繼續增加，損傷持續累積，在160s左右，能量急劇增高，此時，載荷接近1.89kN，分層損傷擴展加劇，試件即將破壞失效，能量達到峰值4201.5mV·ms。

圖5為復合材料試件在四點彎曲加載歷程中AE所反映的撞擊累積數-幅度-時間圖。試件加載初期，形變較小，可能存在部分噪聲的影響，僅有少量低幅度的信號出現，撞擊累積數曲線比較平緩;在加載中期階段，彎曲形變加大，損傷不斷累積，試件表面開始開裂，出現部分4050dB的幅度信號，撞擊累積數逐步上升;最終階段，加載約至160s，產生大量70～100dB的高幅度AE信號，撞擊累積數快速增長，呈直線上升趨勢，試件受載達到極限，發生分層演化、纖維斷裂等損傷破壞。

圖6為碳纖維編織復合材料試件彎曲加載過程中持續時間、幅度、時間變化的三維圖。從AE信號持續時間隨時間變化過程中可以看出，AE信號的持續時間存在兩個峰值，第一個峰值出現在120s時，此時試件處于損傷累積階段，另一個峰值出現在160s時，試件正在發生失穩破壞。試件加載初期，存在部分低幅度信號，持續時間集中在1000μs以下;加載持續增大，聲發射信號的持續時間隨著時間的增長也呈現出上升的趨勢，與此同時，信號幅度也在升高，出現大量高幅度信號，持續時間的范圍擴大至1000～6000μs。這些高幅度、高持續時間聲發射信號的發生，揭示了試件纖維/基體界面損傷、分層擴展、纖維斷裂等破壞的發生。由此可以看出，AE信號的幅度、撞擊累積數和持續時間等特征參數能較好地對試件損傷累積和失效破壞過程進行描述。

2.3 復合材料變形與應變分析

圖7描述了復合材料加載方向的位移場變化。為了明確試件在彎曲加載過程中的損傷演化，結合圖3復合材料彎曲載荷曲線，分別對0.85kN、1.35kN、1.65kN和1.85kN載荷水平下的試件在加載方向上的全場變形進行分析。根據圖7，加載方向上位移場的變化中，可以看出，加載方向上的位移隨著載荷的增大而增大，損傷持續累積，在1.35kN時裂紋萌生，到了1.65kN時裂紋擴展，當載荷增加到1.85kN時試件最終斷裂失效;除此之外，試件從兩側到中間位移變形不斷加大，且試件距離破壞失效的位置越接近，位移場的數值也越大。

采用數字相機記錄試件變形前后的圖像，以局域圖像灰度匹配搜索對變形求解，通過二維DIC方法，利用式（1）確定參考圖像和變形圖像之間的相關系數C（u，ν）。基于最大相關系數，對變形圖像進行計算，以此可以求得應變場[16]。其中f（x，Y）和g（x'，y'）分別是參考圖像和變形圖像的灰度值，f和g是平均灰度值。

由式（1）計算可以得到圖8所示復合材料加載方向的應變場變化。在整個加載過程中，彎曲方向上試件受到應力，整個應變場呈不規則分布狀態，這主要是由于正交的編織復合材料在纖維相交的區域會出現薄弱部分，這部分區域的應變變化更加明顯;當載荷達到1.65kN時，試件表面出現了應力集中的區域，這部分區域應變達到7.722%，預示著試件即將在此處出現破壞，將載荷繼續增至1.85kN時，沿著該區域試件斷裂失效。由此說明，復合材料的編織方式影響其結構性能，且在彎曲加載過程中，表面受到的應力更加集中。綜合位移場和應變場信息可以清晰地反映碳纖維編織復合材料的損傷變形特征。

3 結束語

通過AE信號衰減測量實驗，表明AE信號在碳纖維編織復合材料表面上呈類似指數衰減的特征，并且經過對諧振式AE傳感器和寬頻帶式AE傳感器檢測特性的比較，驗證了寬頻帶式AE傳感器在聲發射信號測量中更加優異的性能。

在對碳纖維編織復合材料彎曲加載的力學行為研究中可以看出，隨著加載的持續增大，試件表面受到的應力會更加集中，試件內部的層間應力也會逐漸超過粘結層的強度極限，損傷破壞持續累積，此時試件會出現纖維/基體界面損傷、分層擴展、纖維斷裂等損傷，預示著復合材料試件完全破壞。碳纖維編織復合材料彎曲失效載荷均值為1.78kN，彎曲強度為25MPa，試件的力學性能曲線整體表現出良好的線性特征。

結合AE檢測與DIC方法的互補技術對碳纖維編織復合材料在彎曲載荷下進行實時監測，在試件加載前期，復合材料無明顯損傷出現，AE信號較少，對應的位移場和應變場變化平穩，隨試件載荷不斷增加，撞擊數急劇增多，相對能量逐漸升高，高幅度、高持續時間信號出現，相應的位移場和應變場也出現了明顯的變化，清楚表現出復合材料在彎曲加載過程中的受力狀態和不同位置的受力形式，試件出現分層擴展、纖維斷裂等破壞，客觀地認識到試件的損傷變形特征，揭示試件從損傷累積一直到損傷破壞的演化過程。

采用聲發射和數字圖像相關算法相結合的測試技術手段研究了復合材料損傷演化過程與失效特性，深入了解了復合材料在彎曲受載過程中的損傷演變機理，有效地為復合材料結構的健康監測、無損評價、失效分析提供可靠的依據。

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（編輯：劉楊）