木質材料損傷斷裂中聲發射特性的研究進展及趨勢

郭曉磊，胡 偉，郭 勇

(1.南京林業大學學院木材工業學院，南京210037;2.安徽農業大學學院木材工業學院，合肥230036)

隨著木材工業的發展，木質材料 (包括木材和木基復合材料等)的應用越來越廣泛。如木結構建筑的梁和柱可采用單板層積材和平行定向成材，膠合木梁等一些大構件可以用于一些跨度較大的建筑物，木質工字梁的腹板、墻板和樓層面板等可采用定向刨花板［1］。但木質材料本身亦存在一些固有缺陷和損傷、以及在應力作用下，木質材料會發生變形甚至斷裂，影響其使用。因此，研究木質材料損傷的起始與擴展愈來愈重要，這是安全可靠的使用木質材料的基礎。

聲發射技術是一種新型的動態無損檢測技術，可以實時在線監測木質材料裂紋尖端起裂時間、破壞源的位置以及材料損傷的嚴重性，可以避免重大安全事故的發生。研究木質材料損傷斷裂中的聲發射特性具有重大的社會效應和經濟效益。本文介紹了聲發射技術的定義、原理以及在木材工業中的應用，綜述了聲發射技術在木質材料損傷斷裂中的研究進展與趨勢，旨在為聲發射技術的進一步研究提供參考，促進其應用。

1 聲發射技術及其應用

聲發射 (Acoustic Emission，簡稱AE)是指當材料受到外力或內力作用產生變形或斷裂時，以瞬態彈性波形式釋放出應變能的現象，有時也稱為應力波發射。聲發射信號是指由傳感器接收AE事件，經前置放大器、信號調理裝置等處理而顯示的電信號，用聲發射儀探測、記錄和分析、處理聲發射信號以及由檢測到的聲發射信號推斷聲發射源的部位、性質及其嚴重性的技術稱為聲發射技術。聲發射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻，直到超聲頻，其頻率主要集中在100kHz到1MHz之間;其幅度從微觀的位錯運動到大規模宏觀斷裂在很大的范圍內變化，按傳感器的輸出可包括數μV到數百mV。從聲發射源釋放出的彈性波傳播到材料表面時，引起可以用聲發射傳感器探測的表面位移，傳感器再將這些探測到的機械振動轉化為電信號，再被放大、處理和記錄。

目前，聲發射技術已經在壓力容器的安全性檢測和評價、焊接過程的監控和焊縫焊后的完整性檢測、核反應堆的安全性監測、石油化工工業、航空航天、鐵路、汽車、建筑等諸多領域都取得了重要進展。國內外聲發射技術在木材工業中的應用主要集中于以下幾個方面:

(1)應用于檢測木材干燥過程中內應力的變化。日本學者對木材干燥過程中聲發射信號進行采集和分析，并成功開發出了木材干燥自動控制系統。中南林業大學的謝力生教授［2］根據AE計測值預測干燥開裂，利用AE信息對干燥過程進行自動控制，可有效減少開裂的產生。

(2)由于木質材料在彎曲過程中會產生應力，因而也會產生聲發射現象。因此，可以在不破壞木質材料的情況下，用AE檢測或預測材料的抗彎強度。

(3)利用聲發射技術可以檢測木質材料的力學性能及其內部缺陷，徐慧［3］研究了刨花板在三點彎曲及拉伸過程中的聲發射特性，測試表明:刨花板在加載彎曲過程中的聲發射特性曲線能較好地反映刨花板的力學性能，即聲發射特性曲線能反映出材料的彈性區、永久變形區、彈性極限點等參數。

(4)在木材切削加工過程中，聲發射技術主要應用于監測刀具的磨損，以及切削加工過程中加工質量的控制，研究發現，當切削條件 (樹種、切削速度、切削厚度等)改變時，AE信號的變化和加工表面粗糙度之間有密切的對應關系。

2 木質材料損傷斷裂中聲發射特性的研究進展

木質材料的損傷斷裂機理不同于金屬等均質材料，而目前研究木質材料損傷斷裂行為的方法是將木質材料假想成連續的均質材料，多采用均質材料 (如金屬)—力學試驗和微觀觀察相結合的研究方法，但由于力學試驗參量對復雜的微觀斷裂不敏感，有時不能發現和區分某些損傷斷裂源，而顯微觀察也只是在事后觀察斷口，研究局部斷裂形貌，因而無法研究斷口的形成過程，也無法研究木質材料中各斷裂源的特征。利用聲發射技術可以對木質材料損傷斷裂全過程進行有效監測，分析研究采集到的聲發射信號，可以判斷木質材料損傷的類型、發生損傷時的臨界載荷以及裂紋擴展起始點、損傷斷裂階段等。

2.1 木材損傷斷裂中聲發射特性的研究進展

木材是一種具有多孔、層狀結構的天然復合材料，用作結構材時，其固有的非均勻性和節疤、開裂等缺陷以及其它不連續的性質容易造成木材斷裂，而斷裂特性是木結構安全性評價及木結構設計的重要指標。國內外學者對木材損傷和斷裂的聲發射特性的研究起始于20世紀80年代，聲發射技術也已發展成為有效跟蹤木試件損傷演變的方法之一。

A Reiterer［4］等人在2000年研究了2種針葉材和3種闊葉材在斷裂模式Ⅰ破壞過程中的聲發射活動，為了描述初始裂紋和裂紋的演化，通過所測得載荷位移曲線估算拉伸強度和斷裂能，得出破壞過程的不同可以通過聲發射事件的累計計數和幅值來研究。J.Raczkowski［5］和 S.E.Stanzl-Tschegg［6］等人分別深入研究了受真菌感染和受SO2污染的木材在受力過程中的聲發射現象。2001年，S Aicher［7］通過聲發射分析技術研究了云杉在垂直纖維方向拉伸載荷條件下的破壞演變過程，研究表明，聲發射事件率和整體應變之間的相關性就可以跟蹤材料的破壞，聲發射率增加可以標識明顯的破壞。2002年，孫建平［8-9］等人利用聲發射測試和力學實驗相結合的方法，研究了山楊在動態載荷下聲發射的演變過程，通過參數分析法分析不同受力階段木材的聲發射特點，發現山楊在受力條件下的完全彈性、彈性為主的和塑性為主的彈塑性共存三種狀態可以由聲發射累計撞擊數和累計能量增加快慢體現;聲發射信號的聲發射率、上升時間和幅值參數可預測材料開始斷裂進入危險期和材料大量纖維斷裂進入嚴重危險期的兩個“臨界點”。王堅偉［10］采集了電子萬能力學試驗機對杉木進行緊湊拉伸實驗過程中的聲發射信號，首次通過振鈴法確定木材斷裂的臨界點，并指出臨界點的確定必須符合兩個條件:第一，該點的值明顯高于之前對應點的值;第二，該點之后一段時間內的點所對應的值也大于正常值。2007年，朱紅娟［11］利用小波分析和神經網絡技術對不同損傷程度的落葉松的聲發射信號進行研究，建立了描述缺陷信號特征值和缺陷狀態之間的映射關系，可以有效將無缺陷、輕微缺陷和嚴重缺陷三種缺陷模式識別。2009年，邵卓平［12］等以兩種針葉材 (魚鱗云杉、落葉松)和兩種闊葉材(意楊和紅錐)為試材，研究了無缺陷試件和含裂紋試件在三點彎曲破壞過程中材料內部微結構演化的聲發射特性，研究得出，一些較低振幅的聲發射信號出現在無缺陷試件加載初期，且聲發射事件發展緩慢;而大量高振幅的聲發射信號則出現在峰值載荷附近及韌性斷裂階段。張志研［13］在分別對樺木、水曲柳、落葉松三種木材的LT裂紋類型試樣進行三點彎曲試驗的同時，利用聲發射儀采集信號，研究得出三點彎曲有、無裂紋承載過程中裂紋擴展臨界應力及無裂紋試樣裂紋產生臨界應力相差較大;通過聲發射技術對木材裂紋擴展臨界點進行監測研究，對比聲發射技術確定的裂紋擴展臨界載荷和木材載荷-位移曲線確定的木材裂紋擴展載荷，發現前者略小于后者。

木材的微觀損傷斷裂方式主要有胞、壁間界面損傷，細胞壁屈曲和局部塌潰損傷帶，微孔洞損傷與匯合以及微裂隙損傷，但每一種損傷、斷裂在其發生、發展中都會有明顯的聲發射特征。通過對木材損傷斷裂過程中聲發射信號的分析，來識別和判斷木材斷裂源的位置、何時發生損傷斷裂及其不同階段等，為研究木材損傷斷裂機理提供參考依據。

2.2 木基復合材料斷裂損傷中聲發射特性的研究進展

木質基體復合材料 (簡稱木基復合材料)是利用不同維數木質單元為基體的協同效應和加和法則，通過與異質、異型、異性的增強體或功能單元混雜復合加工形成的新型多相材料［14］。簡單的說，木基復合材料是以木質單元為主體，與木質或其它單元 (合成高聚物、金屬或非金屬等)復合而成的新型材料。

國內外將聲發射技術應用于復合材料領域的研究已有許多成功的事例，如一些研究人員將它應用于材料的損傷和破壞研究。Huguet、Siron［15-16］等人分別利用聲發射技術研究了纖維增強復合材料的損傷機理，丁利偉［17］等利用聲發射技術對16MnR/0Cr18Ni9Ti復合材料的拉伸過程進行了監測，分析拉伸過程中聲發射信號的能量、振鈴計數、幅值、持續時間等特征參數，可以將拉伸過程分為不同的破壞階段，實驗表明聲發射監測可以發現載荷與應變關系曲線所不能反映出來的材料損傷。趙方芳［18］等利用聲發射技術監督了顆粒填充聚合物材料含單邊缺口試樣承受三點彎曲載荷時裂紋尖端形成損傷開裂的全過程，有效地識別了顆粒填充聚合物材料的破壞模式。

目前，聲發射技術應用于木基復合材料中的研究還沒有像其他復合材料一樣廣泛，但國內外一些學者在這方面也做了一些開拓性的研究，并取得了一定的成果。如Acher和Dill-Langer［19］在1998 年把聲發射用于膠合層積材在垂直紋理拉伸載荷條件下的裂紋擴展定位研究。王軍［20］等用兩個R15型傳感器組成的聲發射采集系統采集了由稻糠粉、聚乙烯塑料、偶聯劑等混合造粒并在高溫下擠出成型的新型木塑材料三點彎曲實驗下的聲發射信號，確定了不同缺陷及損傷模式所對應的聲發射特征信號。南京林業大學殷冬萌［21］利用萬能力學試驗儀和聲發射采集系統完成了三點彎曲試驗下聲發射信號的采集工作，結合受壓材料斷面的金相觀察得出木塑復合材料缺陷和損傷的五種類型，并應用人工神經網絡模式識別出此五類聲發射信號:纖維斷裂、界面分離、基材開裂、空洞和界面摩擦，正確率達到94.3%。徐慧［22］等分析了聲發射技術在刨花板力學性能檢測中的應用，研究發現由AE振鈴計數-位移曲線可求得彈性極限點和破壞點的位置，作為檢測材料力學性能的補充手段，具有實時性強、靈敏度高等優點，且能有效獲得材料的損傷機理。

研究木基復合材料損傷斷裂過程中聲發射特性，判斷其內部存在的缺陷及損傷斷裂機理，對研究和改進生產工藝具有重要的指導意義。隨著木基復合材料種類的增多，如木材/金屬復合材料，木材/竹材復合材料，木材/無機非金屬復合材料，竹木復合結構材料等，及應用領域的擴大，結合聲發射技術在其他復合材料中的研究方法，聲發射技術在木基復合材料中的應用將會更加深入。

3 聲發射技術在木質材料科學領域的發展趨勢

聲發射技術與其他常規無損檢測技術相比，是根據材料內部釋放出來的應力波來判斷其內部損傷情況的一種動態無損檢測方法，它探測到的能量來自材料本身內部缺陷的運動和變化。因此，利用聲發射技術可以獲得關于木質材料損傷斷裂過程中的豐富信息，未來進一步的研究將主要集中在以下幾個方面:

3.1 研究對象及內容會不斷擴大

木質材料的加工過程遠比其他材料的加工過程所消耗的能量及對環境的影響小，且木質材料具有可再生性等優點，因此木質材料的應用會逐漸擴大，新型結構的木質材料也將會被開發出來。利用聲發射技術對木質材料加工生產過程中產品質量、設備運轉狀態等進行動態監測，無需停機檢查即可根據采集到的聲發射信號檢驗產品質量是否合格，生產過程是否良好等。隨著新材料的開發成功及應用，不僅需要對實體木材和膠合板、刨花板以及中密度纖維板等木質材料動態載荷下損傷斷裂過程中的聲發射特性進行研究，對木塑復合材料、單板層積材、膠合木等木質材料和大型結構用材的動態載荷作用下的聲發射特性的研究也會呈現增多的趨勢。對木質材料的損傷斷裂、結構材的動態監測將進行深入的研究［23］，同時還應將聲發射特性作為木質材料的固有參量，同其他表征材料力學性能的參量一起進行研究，對木質結構材料的設計、安全性評價等具有重要指導意義。

3.2 用于監測木質材料破壞過程及其損傷機理的研究

與其他材料一樣，木質材料在所受應力的不同階段，聲發射特性是不同的。根據這些變化可以較準確的判斷材料所處的狀態和是否達到材料破壞的臨界值。聲發射信號中包含了材料損傷斷裂過程的所有重要信息，今后可將聲發射技術和萬能試驗機有機結合，形成一種能準確監控加載過程中損傷起始和演變的實驗技術和裝置，得到反映損傷過程的載荷-聲發射圖。以研究不同的聲發射參數與材料受力之間的關系，以及不同的加載速率和環境對木質材料損傷斷裂過程及聲發射信號的影響。所以可以根據采集到的聲發射信號有效判斷材料所處的應力狀態，找到材料發生破壞的臨界點，這對于實際應用中預估材料的使用壽命具有重要參考價值。此外，對聲發射源的研究應將擴大。斷裂力學是研究木質材料損傷機理的理論基礎，而聲發射技術是定量研究斷裂力學的一種重要手段，聲發射技術能夠給出關于材料內部缺陷的豐富信息，所以將聲發射技術同斷裂力學結合起來，可以深入研究木質材料斷裂過程中的聲發射信號產生機理，以揭示木質材料裂紋的形成、擴展、斷裂過程同聲發射活動特征之間的對應關系。

3.3 聲發射信號的分析方法及聲發射儀研究

聲發射信號的分析處理是聲發射技術的重要部分。試驗中采集的聲發射信號是復雜多變的且易受外界環境的影響，要提取出有用的聲發射信號就必須采用先進的信號處理技術。隨著計算機技術和信號處理技術的迅速發展，聲發射信號的處理方法將引入更多的分析方法，如基于波形分析上的模態分析、經典譜分析、現代譜分析、小波分析和人工神經網絡模式識別等。對聲發射信號參數，應采用模式識別、灰色關聯分析和模糊分析等技術。在儀器和軟件開發方面，進一步提高聲發射檢測儀器的可靠性，開發高效的聲發射信號數據分析與處理軟件包。利用現代計算機無線 (含有線)網絡功能，研制允許用戶遠程操作及監視的聲發射系統，并進行遠程數據傳輸及診斷。

4 結束語

在大力提倡環保、節能、可持續發展的今天，木質材料具有良好的絕熱、吸聲、吸濕以及具有固碳、低耗能、可再生、強重比高等優點，使得木質材料具有廣闊的應用領域。但由于木質材料內部存在一些微觀的細微缺陷，且長期在外力作用下易發生彎曲變形直至破壞，存在一定的安全風險。聲發射技術可以很好的監測和識別木質材料缺陷和損傷發展過程，對判斷木質材料損傷斷裂源的位置以及何時發生損傷斷裂，評估其使用壽命等方面具有其他無損檢測方法不可比擬的優勢，因此聲發射技術在木質材料損傷斷裂中的應用也將不斷得到發展。

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