陶瓷基复合材料双剪切性能的声发射特征研究

时间：2024-07-28

刘武刚王淑玉卢克非高博王龙侯传涛任方

（1 北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076；2 北京临近空间飞行器系统工程研究所，北京 100076；3 航天材料及工艺研究所，北京 100076)

0 引言

复合材料结构在载荷作用下会产生多种形式的损伤，分析与评价损伤对结构强度产生的影响已成为设计者与使用者关注的重要内容[1-10]。声发射作为一种在线被动监测方法，已在复合材料损伤的产生、演化及类型的识别等方面得到了广泛的应用[11-18]。声发射信号的分析方法主要包括参数分析法和波形分析法，基于波形提取的声发射特征参数可以直观地对试验过程的损伤演化规律进行分析，在复合材料损伤特征和规律方面研究的最多，其结果主要受到信号门槛值的影响；声发射波形包含了损伤源最直接的信息，通过傅立叶变换及小波动时频分析，可以得到损伤源更为丰富的特征[14]。高性能声发射全波形采集系统的研发使基于声发射波形分析成为可能。

利用声发射技术最为主要的目的之一是对复合材料结构的损伤提供评价。目前的研究多基于声发射参数特征并结合复合材料在受载荷过程中的损伤演化分析建立二者之间的相互关系，来实现对损伤源的类型进行判别。复合材料结构内部损伤及损伤模式属于微观机制层面，而获得的声发射信号则是损伤的宏观表现，建立二者之间的关系需要借助于在线实时内部微观观测如X-CT技术，已见有相关研究报道[15-19]。复合材料结构的损伤伴随着多种模式而存在，这也增加了对损伤模式识别的困难。

本文采用声发射全波形信息采集技术，对高温复合材料结构中常用的陶瓷基复合材料螺栓产生剪切破坏损伤模式进行模拟研究，通过傅立叶变换及小波时频分析，从宏观的角度获得破坏过程中的声发射信号特征及主要损伤模式类型，为进一步从微观深入研究提供基础。

1 试验

本次试验采用的试样为陶瓷基复合材料，直径为12mm，剪切有效长度为10mm，加载速率为0.5mm/min。共有12件试样参加试验，4件为纤维铺层与加载方向为0°，3件纤维铺层与加载方向为45°，5件纤维铺层与加载方向为90°，试验状态如图1。采用全信息声发射采集分析系统对试样损伤全过程中的损伤进行采集，声发射采样频率为5MHz，信号幅值范围为±10V。传感器为R15共振型声发射传感器，前置放大器设置为20dB。R15共振型声发射传感器在100～400kHz具有较高的灵敏度，在工程应用中最为广泛，共振频率为150kHz，其余频率范围内灵敏度相对较低一些，在复合材料损伤监测方面具有一定的局限。此文中利用不同信号之间各频率的相对值进行比较，对信号频率的相对变化来说具有一定的意义。声发射传感器安装在近邻试样的夹具上，监测并采集试样在外载作用下的损伤声发射信号。

图1 不同维铺层与加载方向夹角及破坏状态 Fig.1 The angle between the load and the fiber layers and failure modes

2 结果分析及讨论

2.1 加载过程整体声发射信号历程

图2～图4分别列出了纤维铺层与加载方向成0°、45°和90°试样双剪切试验时所获得的声发射信号历程的整体与低幅度信号细部图。分析发现纤维铺层与加载方向成0°时，在载荷达到某一值时，出现较大幅值的声发射信号，如图2（a）、图3（a）和图4（a）中椭圆中的信号。

随后间断持续到试样破坏，在破坏时出现集中信号区域。放大信号细部，如图2（b）、图3（b）和图4（b），可知在整个加载过程中，出现大量小幅值声发射信号且在试样破坏前出现急剧增多的现象。

图2 0°试样加载过程声发射信号特征 Fig.2 Characteristics of acoustic emission signals in loading (0° sample)

图4 90°试样加载过程声发射信号声发射信号特征 Fig.4 Characteristics of acoustic emission signals in loading (90° sample)

纤维铺层与加载方向成90°时，在载荷达到某一值时，出现较大幅值的集中声发射信号区域，随后一段时间内出现较少量的低幅值声发射信号，直至试样破坏时出现大幅值声发射信号。观察信号的细部，在加载中期，出现较大幅值信号集中区，在试样破坏前保持在稳定的幅值，持续到出现大幅值声发射信号为止。与0°时和90°时不同，纤维铺层与加载方向成45°时，试样在整个加载过程中的大幅值声发射信号相对前两者较少。试样在加载到中部某一载荷值时，出现较大幅值声发射信号集中区后，如图3（a）中椭圆中的信号，直至试样破坏前没有出现大幅值声发射信号，且破坏时的声发射信号幅值也相对较小。从试验加载开始直至破坏，其细部的小幅值声发射信号数量维持在一定的量级，在破坏前幅值与数量有所增大和增多。

图3 45°试样加载过程声发射信号特征 Fig.3 Characteristics of acoustic emission signals in loading (45° sample)

2.2 典型声发射信号时频特征

图5～图7分别给出了0°、45°和90°不同加载方式下得到的声发射信号的傅立叶频率及小波时频能量分布。

从小波时频分布图中可以得到，0°加载方式下，信号能量集中分布在0～200kHz范围内，能量峰值出现在70kHz和120kHz，如图5；在45°加载方式下，声发射信号包含多个频率峰值，在信号的前期频率分布在0～200kHz范围内，能量集中在中心频率为70kHz和170kHz，见图6；在90°加载方式下，在信号前面部分，能量主要分布在0～300kHz较宽范围内，随后集中在70kHz和170kHz两个频率处，400～600μs能量集中在低频70kHz，600μs后能量主要集中在70kHz和170kHz，如图7所示。

图5 0°双剪切声发射信号时频分布特征 Fig.5 Time-frequency features of acoustic emission signals（0°）

图6 90°双剪切声发射信号时频分布特征 Fig.6 Time-frequency features of acoustic emission signals（90°）

图7 90°双剪切声发射信号时频分布特征 Fig.7 Time-frequency features of acoustic emission signals（90°）

试样加载过程中产生的声发射信号包含了材料损伤破坏模式的信息，一般可以根据典型声发射信号提取相应的特征来对损伤模式进行识别。从上述不同加载方式下典型声发射信号的频率及时频分布分析可以知道，不同的加载方式下，信号能量分布的频率各不相同，说明试样材料内部产生了不同的损伤模式。在0°加载方式下，产生70kHz和120kHz两种损伤模式，其中以120kHz为主；45°加载方式下，信号出现20kHz、40kHz、70kHz、90kHz、120kHz和170kHz多个能量集中频率，20kHz和70kHz两种损伤模式能量最大，90kHz和170kHz两种损伤模式能量次之；90°加载方式下，信号能量明显集中在40kHz、70kHz和170kHz三个频率，以70kHz频率的能量为最大，试样内部主要存在这三种主要的损伤模式。从以上分析可以看出，45°加载方式下的信号包含了0°和90°两种情况的频率成份，说明45°加载方式下材料内部的损伤状态最为复杂，由于存在相对较多的损伤模式，能量分布于多个损伤状态中，单个的频率能量幅值相对0°和90°两种情况的较低。

2.3 声发射信号特征与载荷的关系

复合材料在外载荷作用下吸收能量，当载荷超过材料内部基体和纤维的承载能力时，会发生基体或纤维损伤破坏，释放所吸收的能量，产生声发射应力波，故声发射信号的特征与外载荷具有一定的相互关系。特别是典型的声发射信号，如第一次出现声发射信号或高幅值声发射信号所对应的载荷代表了材料的固有特征。表1列出了同批次试样0°、45°和90°三种载荷作用下，双剪切试样第一次大幅值声发射信号出现的时刻对应的载荷（称为“特征载荷”）与试样极限破坏载荷（称为“极限载荷”）之间的相互关系。

表1 试样载荷与声发射信号特征 Table 1 Relation between the ultimate strength and the characteristics of acoustic emission signals

从表1中可知，0°载荷下试样的极限载荷最低，其次45°，90°为最高，这说明双剪切试样的极限载荷与加载方向密切相关，当铺层方向与加载方向相一致时，纤维层与基体承受压载荷，此时极限载荷最低；随着铺层方向与加载方向夹角增大，纤维铺层承受较多的压弯载荷，极限载荷达到最高。同时可以看到，第一次大幅值声发射信号出现的载荷变化不大，基本上保持一致。

表1中计算出了各个试样的特征载荷与极限载荷的百分比δ，0°时δ平均为82.9%，45°时平均为65.7%和90°时平均为46.6%。图8示出了特征载荷与极限载荷之比δ和纤维铺层与加载方向夹角α之间的变化规律，从中可以看出，δ与α呈现出线性降低的关系。根据此种关系，可以根据特征载荷对强度载荷进行估计。

图8 特征载荷与极限载荷之比δ和纤维铺层与加载方向夹角α之间的变化规律 Fig.8 the relation between δ and α