碳纖維復(fù)合材料損傷的非線性超聲及聲發(fā)射聯(lián)合檢測(cè)研究

孫榮鑫 李 偉 閆孝偉 蔣 鵬 孫 平

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院）

碳纖維復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、 高疲勞耐受性及優(yōu)異的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)［1］，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、儲(chǔ)存運(yùn)輸及建筑生產(chǎn)等行業(yè)中［2］，因這些行業(yè)對(duì)安全性的要求較高， 故已有大量學(xué)者對(duì)碳纖維復(fù)合材料的損傷機(jī)理、 損傷階段及損傷識(shí)別等方面進(jìn)行了深入研究， 而針對(duì)復(fù)合材料加載過程中損傷破壞機(jī)理的檢測(cè)分析較為常用的手段是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)［3］，該技術(shù)的應(yīng)用可行性已被多次報(bào)道［4，5］，然而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)依賴于材料活性缺陷和活性大小， 故對(duì)早期弱活性敏感性較低，不易區(qū)分損傷和噪聲干擾。 近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)利用非線性超聲技術(shù)可以有效檢測(cè)材料中的早期損傷， 石媛媛對(duì)非線性超聲在不同外力作用下的金屬應(yīng)力腐蝕微裂紋的傳播進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)可以表征金屬應(yīng)力腐蝕狀況［6］。 閆紅娟利用非線性超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬疲勞損傷壽命預(yù)測(cè)［7］，總的來講，將非線性超聲技術(shù)應(yīng)用于金屬材料早期損傷檢測(cè)的研究報(bào)道相對(duì)較多［8］，Kim G等采用非線性超聲對(duì)循環(huán)加載下的混凝土微觀裂紋進(jìn)行了監(jiān)測(cè)， 證明其在損傷檢測(cè)方面具有可行性［9］，鄧燕燕研究了復(fù)合材料孔隙率與非線性系數(shù)的關(guān)系，提出了評(píng)價(jià)方法［10］。在復(fù)合材料損傷研究方面， 黃遠(yuǎn)航和張發(fā)友對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行損傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)與損傷情況相關(guān)［11,12］，張青松對(duì)沖擊載荷作用下的復(fù)合材料進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)［13］，張玉龍等對(duì)復(fù)合材料層合板進(jìn)行了拉損傷檢測(cè)［14］，都證明了非線性技術(shù)可以反映復(fù)合材料損傷情況。 然而復(fù)合材料的非線性損傷過程較為復(fù)雜， 而超聲穿過不完美界面產(chǎn)生的非線性效應(yīng)又受多方面影響， 故采用單一手段檢測(cè)復(fù)合材料存在不足， 筆者采用聲發(fā)射技術(shù)聯(lián)合非線性超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)階梯加載下的復(fù)合材料進(jìn)行損傷檢測(cè)， 以期實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料更加完善的損傷評(píng)價(jià)。

1 理論部分

在線性聲學(xué)的討論中［15］，當(dāng)聲波以小振幅傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)速度、位移和媒質(zhì)的密度相較聲速、聲波波長(zhǎng)和靜態(tài)密度都是微小量， 材料非線性對(duì)波的影響可以忽略，認(rèn)為聲波以線性傳播，但當(dāng)聲波以有限振幅或稱大振幅聲波傳播，媒介應(yīng)變?yōu)橛邢薮笮r(shí)，為解釋聲波的非線性現(xiàn)象，理論方面就需要波動(dòng)方程可以體現(xiàn)聲波的非線性，在材料中引起聲波非線性變化的因素主要有材料非線性、幾何非線性、接觸非線性、邊界非線性及場(chǎng)耦合非線性等［16］，非線性超聲的損傷檢測(cè)應(yīng)用就是通過檢測(cè)由損傷引起的聲波非線性變化進(jìn)而判斷材料損傷狀況，筆者將通過檢測(cè)超聲非線性系數(shù)，監(jiān)測(cè)損傷變化情況。

根據(jù)經(jīng)典非線性理論， 在有限振幅激勵(lì)下，材料的一維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為［17,18］：

通過微繞法求解波動(dòng)方程， 設(shè)位移u由線性位移解u（0）和非線性位移解u（1）兩部分組成［21］，即u=u（0）+u（1）。 設(shè)發(fā)射端激發(fā)正弦波，將兩個(gè)位移解的結(jié)果合并表示如下：

更高階的三次諧波非線性系數(shù)同樣可以通過波動(dòng)方程求解，其相對(duì)三次非線性系數(shù)可表示為δ′：

式中 A3——三次諧波振幅。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 加載形式

本次實(shí)驗(yàn)試件均采用T700碳纖維碳布層合板作為研究對(duì)象，材料參數(shù)如下：

加載設(shè)備采用CMT-5000萬能電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行循環(huán)階梯加載損傷，實(shí)驗(yàn)按照加載壓力階梯不同共設(shè)置兩組，分別為5.0 kN 和2.5 kN，并將對(duì)應(yīng)壓力階梯下的實(shí)驗(yàn)試件分別命名為試件a和試件b。 兩組加載實(shí)驗(yàn)的載荷范圍均為0～45 kN，且每級(jí)循環(huán)最低點(diǎn)均為0 kN，為使材料穩(wěn)定受載，加載速率設(shè)定為100 N/s，同時(shí)為使聲發(fā)射可以采集更多有效數(shù)據(jù)，保載時(shí)間設(shè)為5 min。

2.2 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射技術(shù)已被大量實(shí)驗(yàn)證明可以有效檢測(cè)復(fù)合材料損傷， 此次實(shí)驗(yàn)采用寬頻聲發(fā)射探頭，頻寬可達(dá)到1 MHz，傳感器按110 mm間距分布于試件一側(cè)。

2.3 非線性超聲檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)RETIC公司自主開發(fā)生產(chǎn)的RAM-5000 SNAP非線性超聲系統(tǒng)，該超聲測(cè)試系統(tǒng)主要由衰減器、濾波器組件及傳感器等構(gòu)件組成，超聲探頭采用中心兩側(cè)相對(duì)布置形式。 當(dāng)發(fā)射端發(fā)射7個(gè)周期中心頻率為2.25 MHz的高頻脈沖串作為超聲信號(hào)時(shí)（圖1a），布置于另一端的3 MHz寬頻探頭將負(fù)責(zé)接收透射過材料的超聲信號(hào)（圖1b），實(shí)現(xiàn)聲波的發(fā)射與接收，超聲信號(hào)的檢測(cè)在每次循環(huán)卸載的最低點(diǎn)完成。

圖1 激發(fā)、接收信號(hào)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)從0 kN加載至45 kN，圖2分別為試件a、b在對(duì)應(yīng)加載方式下的加載曲線和聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果，從加載圖中的聲發(fā)射信號(hào)可以看出隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加， 信號(hào)幅值和數(shù)量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這表明材料加載過程中已出現(xiàn)損傷并隨載荷的增加逐步加劇。

圖2 不同試件的加載曲線和聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

由圖2a可知， 試件a在10 kN階段開始產(chǎn)生少量聲發(fā)射信號(hào)， 且信號(hào)以小于60 dB的低幅值信號(hào)為主，當(dāng)載荷增加至25 kN階段，聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)出現(xiàn)加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，且幅度分布范圍為50～80 dB，隨著載荷的不斷增大，在40、45 kN階段，出現(xiàn)部分大于80 dB的高幅值信號(hào)， 同時(shí)伴隨中低幅值信號(hào)的同步增加。 從加載過程聲發(fā)射信號(hào)的經(jīng)歷變化趨勢(shì)來看， 在25 kN以后伴隨載荷增大，試件內(nèi)部損傷逐步擴(kuò)展，且幅度分布范圍較寬，損傷類型較多。 對(duì)比圖2b可以看出，當(dāng)增加加載次數(shù)，減小載荷間隔，試件b在加載5 kN時(shí)產(chǎn)生高幅值信號(hào)，隨后在10～35 kN階段信號(hào)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，且幅度分布較寬，隨著加載繼續(xù)，在30 kN階段信號(hào)數(shù)量明顯增多， 幅值分布較為均勻，變化范圍與前加載階段相近均在50～80 dB，在37.5～45.0 kN階段， 聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)大于80 dB的高幅值信號(hào)，且中低幅值信號(hào)也同步增加，從聲發(fā)射信號(hào)變化趨勢(shì)可以看出，材料在10～35 kN階段呈現(xiàn)穩(wěn)定損傷積累，到達(dá)37.5～45.0 kN階段，材料出現(xiàn)損傷擴(kuò)展加劇態(tài)勢(shì)。

3.2 非線性超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用非線性超聲技術(shù)針對(duì)試件a、b分別在每級(jí)循環(huán)卸載處進(jìn)行非線性超聲二次、 三次系數(shù)測(cè) 量，并對(duì)比統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)（圖3）。

圖3 不同試件卸載狀態(tài)非線性系數(shù)

由圖3a可知，試件a在5 kN加載循環(huán)后，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較少， 信號(hào)增大趨勢(shì)不明顯，表明在該壓力階段聲發(fā)射對(duì)于損傷變化并不敏感，而對(duì)比二次非線性系數(shù)的變化趨勢(shì)可以看出，在5 kN以后二次非線性系數(shù)出現(xiàn)第1次較大增幅，直至20 kN一直保持其變化趨勢(shì)，這表明在0～20 kN加載早期階段中，非線性超聲相對(duì)于聲發(fā)射對(duì)早期加載階段的損傷更加敏感。 隨著早期加載階段的結(jié)束，聲發(fā)射計(jì)數(shù)和非線性系數(shù)在35 kN載荷前，信號(hào)均可保持基本穩(wěn)定趨勢(shì)，當(dāng)載荷增大至30 kN時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)開始明顯升高，隨后二次非線性系數(shù)出現(xiàn)第2次較大增幅， 并持續(xù)增大至加載結(jié)束， 從圖4a非線性超聲頻譜圖中也可以看出，加載結(jié)束時(shí)的基波幅值相比初始未加載前有明顯降低。 在此基礎(chǔ)上，增加載荷間隔，其結(jié)果如圖3b所示，試件b在2.5 kN加載循環(huán)后，首次出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，但直至27.5 kN加載階段前，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)一直相對(duì)較少，而對(duì)比二次非線性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在初始到20 kN階段早期加載過程中，系數(shù)出現(xiàn)與試件a相同的遞增現(xiàn)象，隨后直至27.5 kN一直保持基本穩(wěn)定趨勢(shì)，隨著載荷增大至30 kN開始，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)開始出現(xiàn)升高，隨后隨著載荷進(jìn)一步增大，振鈴計(jì)數(shù)隨之也呈現(xiàn)快速升高趨勢(shì)， 而對(duì)比二次非線性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，從30 kN開始系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，并隨載荷遞增，下降幅度逐級(jí)增大，從圖4b可以看出加載結(jié)束時(shí)的二次諧波相比初始未加載前有明顯降低。

圖4 不同試件初始、結(jié)束狀態(tài)頻譜表征

經(jīng)分析可知，隨著損傷加劇裂紋間距逐步擴(kuò)展，致使部分聲波無法穿過損傷界面，因而導(dǎo)致非線性系數(shù)降低，而聲發(fā)射由于采集的是損傷過程中活性缺陷發(fā)出的信號(hào)，所以在缺陷擴(kuò)展過程中依然表現(xiàn)為信號(hào)的增加，從圖3可以看出，計(jì)數(shù)的增加量與二次非線性系數(shù)的降低程度也基本吻合。

對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)可以看出， 試件b的損傷程度比試件a更加嚴(yán)重，這表明2.5 kN的階梯加載方式相比5.0 kN的更易造成材料損傷。 在兩種加載方式下的早期加載階段（20 kN以下加載段），二次非線性系數(shù)均呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，而聲發(fā)射信號(hào)在該階段卻并不明顯， 然而隨著載荷的繼續(xù)升高，聲發(fā)射計(jì)數(shù)始終呈現(xiàn)與損傷一致的遞增趨勢(shì)。 而二次非線性系數(shù)與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)在試件b加載過程下的擴(kuò)展階段呈背離趨勢(shì)， 但變化程度相近。 從二次非線性系數(shù)與三次非線性系數(shù)對(duì)比來看，二次系數(shù)相較更具有規(guī)律性。

4 結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)表明， 在2.5 kN和5.0 kN兩組實(shí)驗(yàn)壓力階梯下的早期損傷階段 （20 kN以下加載段），二次非線性系數(shù)相比聲發(fā)射技術(shù)均展現(xiàn)出對(duì)早期損傷更加敏感的特性，且隨著損傷程度加劇呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。

4.2 隨復(fù)合材料損傷程度加劇，非線性系數(shù)將與聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)呈背離趨勢(shì)，但變化程度基本相近。

4.3 在對(duì)2.5 kN和5.0 kN兩組實(shí)驗(yàn)壓力階梯下的損傷全過程分析中發(fā)現(xiàn)，二次非線性系數(shù)相比三次非線性系數(shù)在損傷表征方面展現(xiàn)出更強(qiáng)的規(guī)律性。

4.4 由于非線性超聲的主動(dòng)檢測(cè)性，使得其相比聲發(fā)射技術(shù)具有在檢測(cè)過程中無需加載即可反映早期損傷的優(yōu)勢(shì)，但聲發(fā)射技術(shù)參量與復(fù)合材料損傷程度更具有一致性。