陶瓷基復合材料雙剪切性能的聲發射特征研究

劉武剛 王淑玉 盧克非 高博 王龍 侯傳濤 任方

（1 北京強度環境研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100076；2 北京臨近空間飛行器系統工程研究所，北京 100076；3 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

復合材料結構在載荷作用下會產生多種形式的損傷，分析與評價損傷對結構強度產生的影響已成為設計者與使用者關注的重要內容[1-10]。聲發射作為一種在線被動監測方法，已在復合材料損傷的產生、演化及類型的識別等方面得到了廣泛的應用[11-18]。聲發射信號的分析方法主要包括參數分析法和波形分析法，基于波形提取的聲發射特征參數可以直觀地對試驗過程的損傷演化規律進行分析，在復合材料損傷特征和規律方面研究的最多，其結果主要受到信號門檻值的影響；聲發射波形包含了損傷源最直接的信息，通過傅立葉變換及小波動時頻分析，可以得到損傷源更為豐富的特征[14]。高性能聲發射全波形采集系統的研發使基于聲發射波形分析成為可能。

利用聲發射技術最為主要的目的之一是對復合材料結構的損傷提供評價。目前的研究多基于聲發射參數特征并結合復合材料在受載荷過程中的損傷演化分析建立二者之間的相互關系，來實現對損傷源的類型進行判別。復合材料結構內部損傷及損傷模式屬于微觀機制層面，而獲得的聲發射信號則是損傷的宏觀表現，建立二者之間的關系需要借助于在線實時內部微觀觀測如X-CT技術，已見有相關研究報道[15-19]。復合材料結構的損傷伴隨著多種模式而存在，這也增加了對損傷模式識別的困難。

本文采用聲發射全波形信息采集技術，對高溫復合材料結構中常用的陶瓷基復合材料螺栓產生剪切破壞損傷模式進行模擬研究，通過傅立葉變換及小波時頻分析，從宏觀的角度獲得破壞過程中的聲發射信號特征及主要損傷模式類型，為進一步從微觀深入研究提供基礎。

1 試驗

本次試驗采用的試樣為陶瓷基復合材料，直徑為12mm，剪切有效長度為10mm，加載速率為0.5mm/min。共有12件試樣參加試驗，4件為纖維鋪層與加載方向為0°，3件纖維鋪層與加載方向為45°，5件纖維鋪層與加載方向為90°，試驗狀態如圖1。采用全信息聲發射采集分析系統對試樣損傷全過程中的損傷進行采集，聲發射采樣頻率為5MHz，信號幅值范圍為±10V。傳感器為R15共振型聲發射傳感器，前置放大器設置為20dB。R15共振型聲發射傳感器在100～400kHz具有較高的靈敏度，在工程應用中最為廣泛，共振頻率為150kHz，其余頻率范圍內靈敏度相對較低一些，在復合材料損傷監測方面具有一定的局限。此文中利用不同信號之間各頻率的相對值進行比較，對信號頻率的相對變化來說具有一定的意義。聲發射傳感器安裝在近鄰試樣的夾具上，監測并采集試樣在外載作用下的損傷聲發射信號。

圖1 不同維鋪層與加載方向夾角及破壞狀態 Fig.1 The angle between the load and the fiber layers and failure modes

2 結果分析及討論

2.1 加載過程整體聲發射信號歷程

圖2～圖4分別列出了纖維鋪層與加載方向成0°、45°和90°試樣雙剪切試驗時所獲得的聲發射信號歷程的整體與低幅度信號細部圖。分析發現纖維鋪層與加載方向成0°時，在載荷達到某一值時，出現較大幅值的聲發射信號，如圖2（a）、圖3（a）和圖4（a）中橢圓中的信號。

隨后間斷持續到試樣破壞，在破壞時出現集中信號區域。放大信號細部，如圖2（b）、圖3（b）和圖4（b），可知在整個加載過程中，出現大量小幅值聲發射信號且在試樣破壞前出現急劇增多的現象。

圖2 0°試樣加載過程聲發射信號特征 Fig.2 Characteristics of acoustic emission signals in loading (0° sample)

圖4 90°試樣加載過程聲發射信號聲發射信號特征 Fig.4 Characteristics of acoustic emission signals in loading (90° sample)

纖維鋪層與加載方向成90°時，在載荷達到某一值時，出現較大幅值的集中聲發射信號區域，隨后一段時間內出現較少量的低幅值聲發射信號，直至試樣破壞時出現大幅值聲發射信號。觀察信號的細部，在加載中期，出現較大幅值信號集中區，在試樣破壞前保持在穩定的幅值，持續到出現大幅值聲發射信號為止。與0°時和90°時不同，纖維鋪層與加載方向成45°時，試樣在整個加載過程中的大幅值聲發射信號相對前兩者較少。試樣在加載到中部某一載荷值時，出現較大幅值聲發射信號集中區后，如圖3（a）中橢圓中的信號，直至試樣破壞前沒有出現大幅值聲發射信號，且破壞時的聲發射信號幅值也相對較小。從試驗加載開始直至破壞，其細部的小幅值聲發射信號數量維持在一定的量級，在破壞前幅值與數量有所增大和增多。

圖3 45°試樣加載過程聲發射信號特征 Fig.3 Characteristics of acoustic emission signals in loading (45° sample)

2.2 典型聲發射信號時頻特征

圖5～圖7分別給出了0°、45°和90°不同加載方式下得到的聲發射信號的傅立葉頻率及小波時頻能量分布。

從小波時頻分布圖中可以得到，0°加載方式下，信號能量集中分布在0～200kHz范圍內，能量峰值出現在70kHz和120kHz，如圖5；在45°加載方式下，聲發射信號包含多個頻率峰值，在信號的前期頻率分布在0～200kHz范圍內，能量集中在中心頻率為70kHz和170kHz，見圖6；在90°加載方式下，在信號前面部分，能量主要分布在0～300kHz較寬范圍內，隨后集中在70kHz和170kHz兩個頻率處，400～600μs能量集中在低頻70kHz，600μs后能量主要集中在70kHz和170kHz，如圖7所示。

圖5 0°雙剪切聲發射信號時頻分布特征 Fig.5 Time-frequency features of acoustic emission signals（0°）

圖6 90°雙剪切聲發射信號時頻分布特征 Fig.6 Time-frequency features of acoustic emission signals（90°）

圖7 90°雙剪切聲發射信號時頻分布特征 Fig.7 Time-frequency features of acoustic emission signals（90°）

試樣加載過程中產生的聲發射信號包含了材料損傷破壞模式的信息，一般可以根據典型聲發射信號提取相應的特征來對損傷模式進行識別。從上述不同加載方式下典型聲發射信號的頻率及時頻分布分析可以知道，不同的加載方式下，信號能量分布的頻率各不相同，說明試樣材料內部產生了不同的損傷模式。在0°加載方式下，產生70kHz和120kHz兩種損傷模式，其中以120kHz為主；45°加載方式下，信號出現20kHz、40kHz、70kHz、90kHz、120kHz和170kHz多個能量集中頻率，20kHz和70kHz兩種損傷模式能量最大，90kHz和170kHz兩種損傷模式能量次之；90°加載方式下，信號能量明顯集中在40kHz、70kHz和170kHz三個頻率，以70kHz頻率的能量為最大，試樣內部主要存在這三種主要的損傷模式。從以上分析可以看出，45°加載方式下的信號包含了0°和90°兩種情況的頻率成份，說明45°加載方式下材料內部的損傷狀態最為復雜，由于存在相對較多的損傷模式，能量分布于多個損傷狀態中，單個的頻率能量幅值相對0°和90°兩種情況的較低。

2.3 聲發射信號特征與載荷的關系

復合材料在外載荷作用下吸收能量，當載荷超過材料內部基體和纖維的承載能力時，會發生基體或纖維損傷破壞，釋放所吸收的能量，產生聲發射應力波，故聲發射信號的特征與外載荷具有一定的相互關系。特別是典型的聲發射信號，如第一次出現聲發射信號或高幅值聲發射信號所對應的載荷代表了材料的固有特征。表1列出了同批次試樣0°、45°和90°三種載荷作用下，雙剪切試樣第一次大幅值聲發射信號出現的時刻對應的載荷（稱為“特征載荷”）與試樣極限破壞載荷（稱為“極限載荷”）之間的相互關系。

表1 試樣載荷與聲發射信號特征 Table 1 Relation between the ultimate strength and the characteristics of acoustic emission signals

從表1中可知，0°載荷下試樣的極限載荷最低，其次45°，90°為最高，這說明雙剪切試樣的極限載荷與加載方向密切相關，當鋪層方向與加載方向相一致時，纖維層與基體承受壓載荷，此時極限載荷最低；隨著鋪層方向與加載方向夾角增大，纖維鋪層承受較多的壓彎載荷，極限載荷達到最高。同時可以看到，第一次大幅值聲發射信號出現的載荷變化不大，基本上保持一致。

表1中計算出了各個試樣的特征載荷與極限載荷的百分比δ，0°時δ平均為82.9%，45°時平均為65.7%和90°時平均為46.6%。圖8示出了特征載荷與極限載荷之比δ和纖維鋪層與加載方向夾角α之間的變化規律，從中可以看出，δ與α呈現出線性降低的關系。根據此種關系，可以根據特征載荷對強度載荷進行估計。

圖8 特征載荷與極限載荷之比δ和纖維鋪層與加載方向夾角α之間的變化規律 Fig.8 the relation between δ and α

3 結論

1）分析大幅值聲發射信號和小幅值聲發射信號的演化特征，可以從整體上和局部反映陶瓷基復合材料雙剪切試樣內部損傷演化機理，從不同角度分析材料內部的損傷演化規律。

2）同批次陶瓷基復合材料試樣在雙剪切加載方式下，內部損傷隨纖維鋪層與加載方向夾角的不同而變化。纖維鋪層與加載方向夾角為45°時材料內部的損傷狀態最為復雜，聲發射信號所包含的頻率最為豐富，包含了0°和90°兩種情況的頻率成份。

3）不同加載條件下陶瓷基復合材料試樣首次大幅值聲發射信號出現的特征載荷與極限強度載荷具有一定的相互關系。隨載荷與纖維鋪層方向夾角的增大，極限破壞載荷越大。以特征載荷與極限載荷之比δ和纖維鋪層與加載方向夾角α之間呈現出線性變化關系為基礎，可以依據特征載荷對強度載荷進行估計。