復合材料損傷檢測技術的應用現狀

原志翔， 劉禮平

（中國民航大學航空工程學院， 天津 300300）

引言

復合材料具有比強度高、比模量高、材料性能可設計強等優異性能，已在航空航天、船舶、汽車、醫療器械等工程領域得到了廣泛的應用。但是在加工制備和使用過程中不可避免地會產生氣泡和損傷，這些會對結構的安全構成一定的威脅。由于在使用過程中，復合材料的失效機理比較復雜，判別具體的失效機理比較困難，因此需要一種有效的損傷監測手段，保證復合材料結構的安全性和可靠性[1-2]。

1 損傷類型

航空飛機所采用的復合材料在生產過程中形成的缺陷是導致復合材料“先天缺陷”的主要原因，而復合材料在應用中也會同樣遭遇一系列的外界因素導致復合材料損傷。根據對飛機結構損傷的嚴重程度可以將所遇到的損傷分為兩類：其中第一類損傷為允許的損傷，即這類損傷發生的位置不是在結構的承力位置，并不會對結構的可靠性和完整性造成影響而降低材料的性能，比如試件的表面劃傷等損傷。第二類損傷即會影響到試件結構可靠性的損傷，這類損傷的發生會直接影響到結構的可靠性和完整性從而使得試件的性能下降[3]。

與在生產復合材料時所產生的缺陷相比，我們更需要關注的是復合材料在實際應用時產生的損傷，因為實際應用時產生的損傷會直接導致材料發生失效等破壞，從而影響材料的性能。

復合材料在實際應用過程中由于載荷的不同，也會有不同的損傷形式，以下介紹幾種主要的損傷類型。

1.1 基體損傷

因為碳纖維復合材料中基體的強度遠遠低于纖維的強度，基體會首先出現裂紋，如圖1所示。隨著實驗的進行裂紋斷的擴展，最終會導致材料內基體無法承載，進而引起更嚴重的損傷[4]。

圖1 基體損傷示意圖

1.2 纖維斷裂

由于纖維強度高，可以承載較大的載荷，所以纖維的斷裂一般是因為纖維的承載超過本身的承載極限[5]，從而導致纖維的斷裂，如圖2所示。

圖2 纖維斷裂示意圖

1.3 分層損傷

碳纖維復合材料層合板內部結構中有不同方向的鋪層，在結構受到拉伸、彎曲等載荷的時候會出現分層現象，也就是不同鋪層之間的黏合力降低[6]，從而使得不同層間發生縫隙導致分層，如圖3所示。

2 檢測技術

1）參數分析法：參數分析作為聲發射特征參數主要的分析方式，需要通過簡化后的的波形提取出相關信號特征參數進行研究，也就是從AE信號方面獲取指標參數進而明確損壞的種類與表現。在設定AE參數的過程中，很多聲發射信號的特征參數用來表征所產生的損傷，例如AE撞擊數、振鈴次數、幅值、持續時間、上升時間、能量等。這種分析方式具備簡單高效、實時性突出等多方面優勢，人們一般將其運用在相關材料的穩定性檢測以及定量分析中，并在損傷識別方面得到應用，發揮了重大的價值[7-8]。

圖3 分層損傷示意圖

2）波形分析法：這種方式是對記錄和保存下的波形信號內容展開頻域研究，進而掌握聲源對應的特征，當下人們在復合材料損傷形式的區分研究中，所應用到的此類方式重點為頻譜分析等。頻譜分析即傅里葉變換的方法，運用傅里葉變換將復雜的波形信號轉換為簡單的頻譜圖看出此時的波形對應的頻率信息，從而明確AE源特征[9]。這是實際使用中被廣泛運用的一種研究方式。

3）模式識別方法：伴隨人工智能領域的突破以及不斷發展，相關損傷信號的識別方法越來越多地被用于區分復合材料的損傷源。具體將這種區分方式劃分成監督識別以及非監督識別。在后續的發展方向中，不用提前掌握信號特點的無監督方式將會得到人們的充分關注。在無監督模式識別方法中，聚類分析屬于最廣泛運用的一種。K-means聚類算法是復合材料損傷識別聲發射檢測中大量運用的一種識別算法。Bar等[10]通過相應的自組織映射等算法和不同層玻璃纖維復合材料的損傷模式對AE信號進行分類。模式識別算法使用聲發射參數作為變量進行研究。后續在該領域技術的不斷發展下，相關信號的采樣頻率已實現10 MHz。因為復合材料的損傷原理較為復雜，所以在采到的信號中將會存在不同種類的損傷數據。多種聲發射信號保持疊加，造成后續參數重疊，從而給模式識別算法的應用帶來一定的困難。

3 存在的問題

復合材料損傷檢測作為一種保證材料可靠性和完整性的手段，雖然可以檢測出材料在使用過程中出現的損傷，但是也有一些不足：聲發射信號中可以采集到聲波信號，通過聲波信號進行實時分析找出不同參數對應的損傷類型，但是無法通過聲發射參數來判斷未擴展的靜態缺陷。

4 總結與展望

1）由于飛機上開始大量地使用復合材料，使得相應的維護人員開始研究如何去維護這些復合材料在使用中出現的問題。這對于保持結構的完好性和可靠性具有重大的意義。

2）隨著研發人員對各種復合材料的研發，復合材料的維修技術已經日趨完善。在當前航空領域發展趨勢迅速的前提下，我國航空業復合材料的維修技術有望取得更大的進展。在對現有技術的使用上，應不斷發展新技術，加快復合材料維修的標準，開展復合材料維修標準化科學框架研究，提高維修人員維修效率。