基于聲發射技術的三維編織復合材料低速沖擊損傷分析

嚴 實，趙金陽，陸夏美，曾 濤

（哈爾濱理工大學 建筑工程學院，哈爾濱150080）

三維編織復合材料突破了傳統復合材料層合板結構的概念，具有多向紗線構成空間互鎖網狀結構，從根本上克服了層板復合材料易分層、開裂和抗沖擊性能差等缺點，具有較高的比強度、比剛度、抗沖擊韌性、抗疲勞斷裂性、耐燒蝕性和結構可設計性等，在航空、航天等高科技領域得到了廣泛應用[1］。

由于編織復合材料的各向異性和非均勻性，對其力學性能的表征是十分困難的。目前主要采用實驗方法來研究編織復合材料的沖擊力學行為和破壞機理。沖擊實驗分為兩類：對低能量沖擊采用落錘沖擊實驗方法，而對于高應變率沖擊特性的研究采用高速彈擊法，測試裝置主要包括高速氣槍和氫氣炮。Matemilola等[2］通過彈擊實驗研究了碳纖維編織復合材料的沖擊損傷演化問題，討論了試件尺寸、沖擊慣性能等因素對損傷狀態的影響。Portanova[3］研究了三維編織復合材料試件沖擊后的壓縮容限。Baucom等[4］對二維及三維編織復合材料的抗沖擊性能進行了對比。

2000年以來，國內也有一些對編織復合材料動態性能研究的報道。沈懷榮[5］對三維整體編織結構復合材料進行了高速對稱碰撞實驗和彈丸穿靶實驗。劉寧等[6］對含V型裂紋碳纖維編織復合材料梁的沖擊損傷與斷裂行為進行了實驗研究。顧伯洪等[7］針對三維編織芳綸／環氧復合材料采用準靜態侵徹實驗模擬動態侵徹。鄭海燕等[8］對編織型復合材料的沖擊及沖擊后壓縮強度進行了試驗研究。楊靈敏等[9］對高強玻璃纖維增強環氧樹脂基三維多向編織結構復合材料進行了低速沖擊實驗。研究發現，與四向和五向編織結構材料相比，三維六向編織結構復合材料發生主要損傷時所需的沖擊載荷和沖擊能量較大，主要損傷持續時間最短，吸收的能量最少，且三維編織復合材料低速沖擊的主要失效模式有基體開裂和纖維斷裂。李明等[10］對2.5D機織復合材料采用落錘法預制沖擊損傷，進行剩余拉伸試驗，基于軟化夾雜模型進行剛度衰減模擬，并預測了剩余拉伸強度。皇甫劭煒等[11］應用三維逐漸累積損傷理論和分析技術，建立了適用于編織型復合材料板低速沖擊及沖擊后壓縮破壞過程的一種全程分析方法。

聲發射是指物體受到外界作用時，內部的應變能以彈性波的形式迅速釋放出來的物理現象。目前，國內很多學者對聲發射技術在材料損傷檢測方面的應用做了大量工作，涉及的材料幾乎涵蓋了所有工程材料。王健等[12］對碳／環氧復合材料聲發射信號進行了小波分析，通過對比三點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參數特征。矯桂瓊等[13，14］針對編織 C／SiC復合材料進行了實驗研究，得到了材料拉伸、壓縮的主要力學性能參數，并對材料的損傷演化及破壞規律進行了聲發射參數分析和損傷模式識別。萬振凱等[15］論述了聲發射技術在三維編織復合材料壓縮過程中的應用及實驗方法，給出了聲發射在三維編織復合材料壓縮過程中的特征。任會蘭等[16］對陶瓷材料在兩種壓縮加載下破壞過程中的聲發射特性進行了實驗研究。

雖然編織復合材料力學性能的工作取得了一些突出的成績，但目前編織復合材料沖擊力學性能的理論與實驗研究公開發表的成果并不是很多，還不能清楚地解釋該材料在沖擊載荷作用下的演化規律，從而指導材料的設計和控制材料的失效。因此，本實驗研究了不同編織工藝參數的三維六向碳／環氧編織復合材料在不同沖擊能量作用下的低速沖擊過程，同時用聲發射監測其破壞過程，分析該材料的低速沖擊損傷機理及演化規律。

1 實驗方法

實驗用所有試件由天津工業大學復合材料研究所制備。增強纖維均為日本東麗公司生產的T700－12K碳纖維，基體材料為TDE－86環氧樹脂。試件采用三維六向編織工藝編織，再經過RTM工藝固化成型。為了更好地研究三維六向編織復合材料的低速沖擊損傷過程，選用了不同編織工藝參數的試件進行不同沖擊能量的低速沖擊實驗，試件的工藝參數及沖擊沖擊能量如表1所示。試件尺寸為90mm×90mm×5mm。

所有實驗均在Instron 9250HV型落錘加載試驗機上進行。并采用MISTRAS－2001全數字式聲發射系統，用寬頻（WD）探頭采集聲發射信號，探頭頻率范圍為100～1000kHz，增益設為40dB，信號觸發門檻值為45dB。

表1 三維六向碳／環氧編織復合材料試件的相關參數Table 1 The parameters of 3D6－directional carbon／epoxy braided composites

2 實驗結果與分析

表2給出了三維六向編織復合材料的沖擊實驗數據。由表2可知，對相同編織結構的三維六向編織復合材料以不同的初始沖擊能量進行沖擊時，沖擊能量越大，吸收總能量也越大。由于沖擊過程中的能量消耗是材料損傷的吸收能量。所以吸收的總能量越多，材料損傷就越大。不同編織角的三維六向編織復合材料以相同的初始沖擊能量進行沖擊時，吸收總能量基本相同。

表2 試件的沖擊實驗數據Table 2 Impact data of samples

由試件的沖擊載荷與時間曲線（圖1）可以看出，在沖頭剛開始接觸三維六向編織復合材料板時，載荷和時間曲線就有很小的波動，說明此時試件就已經出現了損傷。載荷與時間曲線的最大值也就是最大載荷為試件發生主要損傷時的載荷值，其對應的能量即為主要損傷能量[9］。不同沖擊能量下的載荷與時間曲線中，在最大載荷的前后，曲線均發生了劇烈的波動，說明試件在此階段發生了連續的不同形式的損傷，如纖維斷裂、基體開裂等，這些破壞模式相互作用、相互影響，此階段是整個沖擊過程中發生主要損傷的階段[9］。由載荷－時間曲線可以看出，隨著沖擊能量的增大，損傷持續時間有增大趨勢，載荷－時間曲線波動也越發劇烈。能量與時間曲線處于平穩上升狀態，主要損傷接近停止時，能量達到最大值，之后，能量與時間曲線平穩下降至某一固定值不變，而沖擊力與時間曲線則快速下降至零。

圖1 試樣的沖擊響應Fig.1 Impact responses of samples

3 沖擊破壞模式與分析

由圖2可以看出。沖擊能量為45J和75J時，試件前表面均出現明顯凹坑，凹坑內基體與纖維剝離，但沒有脫落，后表面均出現基體脫落和不同程度的纖維斷裂，且纖維斷面不平齊。隨著編織角的增加，試件前表面出現輕微的基體裂紋，后表面出現明顯凸起，基體剝離、脫落和纖維束斷裂現象減弱。說明隨著編織角的增大，厚度方向的纖維分布比例增加，使得材料在厚度方向的抗沖擊性能得到提高。

圖2 試件的微觀損傷照片 （1）正面；（2）反面；（a）L1；（b）L2；（c）L3Fig.2 Macroscopic damage photos of specimens（1）front face；（2）rear face；（a）L1；（b）L2；（c）L3

試件受沖擊時，沖頭首先接觸到樹脂基體，導致接觸區樹脂基體因擠壓而變形，在基體發生擠壓變形的同時，纖維和基體的界面剪應力也逐漸增大，使纖維和基體界面黏結減弱，導致基體從纖維上剝離。同時，隨著沖擊載荷的加大，接觸區的纖維也因擠壓而變形，從而在沖擊區形成凹坑。在試件厚度方向，由于試件受沖頭施加的壓力作用而發生彎曲變形，沖擊面一側受壓應力作用，背面受拉應力作用。隨著沖擊的進行，彎曲變形的程度加大，纖維和基體受力增加，靠近試件背面一側的材料，由于拉應力的作用使基體先發生斷裂，隨著變形的加大，纖維和基體界面間的黏結減弱，造成基體從纖維上剝離并脫落。隨著沖擊載荷的增加，試件背面沖擊區的纖維所承受的拉應力也在增加，當增加到纖維的強度極限時，纖維發生了斷裂。在沖擊過程中，損傷形成的過程就是能量被吸收的過程。

4 聲發射信號特征

聲發射檢測是一種動態檢測方法，即材料內部結構、缺陷或潛在缺陷處于運動變化過程中的檢測。由于復合材料組分和結構形式的多樣性以及應力狀態的不同，其損傷機理和破壞模式也各不相同，對此類材料的損傷描述也多采用不同的AE參數進行多參數綜合分析。本工作主要采用聲發射技術對三維六向編織復合材料的低速沖擊測試過程進行實時檢測。通過實驗分析不同編織工藝參數試件的各聲發射參數歷程圖，篩選出適合反映材料損傷演化的聲發射特征參數，結合多參數歷程圖分析法，揭示三維六向碳／環氧編織復合材料低速才沖擊損傷演化過程。通過對聲發射信號的頻譜分析，確定損傷的頻譜特性。

4.1 聲發射信號參數分析

三維六向編織復合材料低速沖擊試件的典型時間－位移曲線及相應的AE信號參數變化如圖3～5所示。這里分析的聲發射信號參數包括能量（信號檢波包絡線下的面積）、幅度（信號波形的最大振幅值，通常用dB表示）和峰值頻率（信號波形經過快速傅里葉變換后頻譜曲線的峰值）

分析比較相同工藝參數在不同沖擊能量下的聲發射信號可知，隨著沖擊能量的增加，沖頭接觸試件表面的時間也會相應增加，因此聲發射信號相對分布要廣一些，在試件表面產生凹陷，釋放大量的應變能之后，隨著沖擊能量的增加，試件本身吸收的能量也隨之增加，因此產生的損傷擴展也隨之增加，這里主要是沿著纖維束界面的低頻基體開裂信號（100Hz）和纖維束之間相互擠壓摩擦產生的中低頻（200～300Hz）塑性信號（如圖4所示）；而對于相同沖擊能量的不同編織工藝參數試件的聲發射信號而言，由于沖擊能量相同，沖頭接觸試件表面的時間基本相同（在2ms左右），但是隨著編織角度的增加，纖維間的排列更加緊密，限制了損傷在纖維束間的擴展，損傷主要是沿著纖維束界面的基體開裂，因此中頻的塑性信號相對較少（如圖5所示）。

圖3 L1試件的時間－位移曲線與相應的AE行為分布 （a）AE能量；（b）AE幅度峰值頻率；（c）AE峰值頻率Fig.3 Time－displacement curve and distribution of AE behavior of L1specimen （a）AE energy；（b）AE amplitude；（c）AE peak frequency

圖4 L2試件的時間－位移曲線與相應的AE行為分布 （a）AE能量；（b）AE幅度峰值頻率；（c）AE峰值頻率Fig.4 Time－displacement curve and distribution of AE behavior of L2specimen （a）AE energy；（b）AE amplitude；（c）AE peak frequency

圖5 L3試件的時間－位移曲線與相應的AE行為分布 （a）AE能量；（b）AE幅度峰值頻率；（c）AE峰值頻率Fig.5 Time－displacement curve and distribution of AE behavior of L3specimen （a）AE energy；（b）AE amplitude；（c）AE peak frequency

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

4.2 聲發射信號頻譜分析

聲發射的能量、事件數和幅值與損傷的大小，擴展的快慢有直接的關系，用于表征試件宏觀損傷演化十分有用。然而這些信號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系。聲發射頻率特性是通過對一個聲發射波形進行頻率分布的分析得到的，即頻譜。聲發射的頻譜特性一般受其他因素的干擾較小，不同細觀損傷源所發出聲波的能量、事件數、振幅可能相同，但頻率一般不同。因此，聲發射的頻譜特性的分析可能成為判斷損傷類型的有效方法[17］。

聲發射信號的波形幾乎無損失地含有聲發射源的全部信息，波形信號的分析更適合細觀損傷機理的描述。這里采用寬頻探頭對三維編織試樣低速沖擊實驗進行全程動態監測，獲取全部的聲發射波形信號，信號經過快速Fourier變換（FFT）處理，提取其實部參數進行分析。測試中試件損傷的典型聲發射信號的FFT實部參數波形如圖6～8所示。

圖6 L1試件的聲發射特性 （a）波形圖；（b）頻譜曲線Fig.6 The character of AE signals for L1specimen（a）waveform；（b）spectrum curve

圖7 L2試件的聲發射特性 （a）波形圖；（b）頻譜曲線Fig.7 The character of AE signals for L2specimen（a）waveform；（b）spectrum curve

圖6是三種試件沖擊損傷時的典型信號，試件破壞時原始波形幅值很大，是大幅值高能量的信號特征，其峰值頻率很低，這是材料的脆性斷裂特征引起的。沖擊能量和編織角度對典型聲發射信號影響不大，即不同沖擊能量和編織角度試件的低速沖擊損傷機理相同，是纖維束和基體瞬間斷裂，釋放大量的應變能，可以聽到材料斷裂爆音（高能量低頻率信號）。圖7中是在編織角度較小的試件（L1和L2試件）中出現的波形信號特征，波形持續時間較短，且幅值不大，但其峰值頻率較高（200kHz左右），為塑性信號特征，是由纖維束間相互擠壓摩擦產生的。對于編織角度較大的試件（L3試件）這種塑性信號特征不明顯，這是因為隨著編織角度的增加，纖維間的排列更加緊密，限制了損傷在纖維束間的擴展。圖8也是三種試件沖擊時出現的信號特征，雖然也有高能量低頻率的脆性斷裂信號出現，但與圖6的信號特征相比，其脆斷的特征不明顯，主要是由沿纖維束界面的基體裂紋引起的。

圖8 L3試件的聲發射特性 （a）波形圖；（b）頻譜曲線Fig.8 The character of AE signals for L3specimen（a）waveform；（b）spectrum curve

5 結論

（1）隨初始沖擊能量的增大，三維六向編織復合材料板的沖擊損傷面積加大，材料的吸收總能量增大，損傷加劇明顯。

（2）三維六向編織復合材料板的沖擊損傷面積隨編織角的增大有減小趨勢，材料的吸收總能量減小，損傷明顯減弱，說明編織角的增加能有效改善材料在厚度方向的抗沖擊性能。

（3）聲發射技術對三維編織復合材料損傷表征和安全性、完整性評價非常有效。分析了主要破壞模式相應的AE參數，可用于實驗過程中破壞模式的識別及材料損傷演化過程的研究。

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