李水揚(yáng)，李 峰，馬青那，趙啟林

（解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度及優(yōu)良的耐疲勞特性和耐腐蝕等綜合性能，在橋梁工程、交通工程中具有巨大的發(fā)展前途［1］。但是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)件在成型過程中伴隨有復(fù)雜的理化反應(yīng)，加上工藝的不成熟，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的微小差異都會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)不可逆的缺陷，使產(chǎn)品的完整性受到嚴(yán)重影響。加之組成復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維和基體的性能存在很大差異，纖維性能的方向性和兩者交界面性能的不確定性都使得復(fù)合材料在導(dǎo)電等物理性能方面呈顯著的各向異性，是一種各項(xiàng)異性的構(gòu)件［2］。在外荷載的作用下構(gòu)件中纖維和基體的破壞呈現(xiàn)出纖維斷裂、基體開裂、纖維樹脂分層等多種模式，因此尋找有效的試驗(yàn)手段解決構(gòu)件破壞的過程中出現(xiàn)的問題具有重要意義。

近幾十年來試驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展，常用無損監(jiān)測(cè)方法有射線照相法、超聲波回波法、聲發(fā)射法、全息照相干涉法、熱成像法、數(shù)字散斑、光纖光柵傳感法等［3］，但是由于復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)特征和復(fù)雜的破壞模式，試驗(yàn)前后靜態(tài)的觀測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)已不能滿足需求。

本文從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的角度，探討了目前能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中構(gòu)件結(jié)構(gòu)變化和破壞過程的無損損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)，以期待為后續(xù)的復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)研究提供更有效的，用于快速發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件中的缺陷、探究復(fù)合材料構(gòu)件的破壞模式和原理的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法。

1 聲發(fā)射技術(shù)

1.1 聲發(fā)射技術(shù)原理

由于材料或構(gòu)件存在微觀缺陷或結(jié)構(gòu)件內(nèi)部不穩(wěn)定，在荷載作用下，這些缺陷部位易出現(xiàn)應(yīng)力集中。應(yīng)力集中產(chǎn)生的能量隨著荷載作用越來越大，最終打破原有的平衡狀態(tài)，能量則被以彈性波的形式釋放出來，這種現(xiàn)象叫做聲發(fā)射現(xiàn)象。通過分析采集到的應(yīng)力波信號(hào)，來判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷部位、階段、損傷程度，并探究其破壞機(jī)理，就是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。

1.2 聲發(fā)射技術(shù)在復(fù)合材料動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

張同華［4］全程監(jiān)測(cè)記錄了拉伸過破壞過程中纖維、基體材料、［00］層合板、［+450/-450］層合板和［900］層合板5種試件的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)特征。采用聲發(fā)射參數(shù)分析法結(jié)合小波分析方法，有效地區(qū)分了復(fù)合材料層合板試件不同的破壞損傷模式和損傷機(jī)制。彭永超［5］對(duì)UHMWPE/LDPE單向復(fù)合材料層合板拉伸直至斷裂的過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到了層合板拉伸破壞的過程的聲發(fā)射特性、主要的破壞類型、聲發(fā)射信號(hào)幅值參數(shù)之間的相互聯(lián)系，研究了層合板拉伸破壞機(jī)理。

嚴(yán)實(shí)［6］基于聲發(fā)射技術(shù)研究了不同編織角度的三維四向碳/環(huán)氧編織復(fù)合材料在壓縮載荷作用下的破壞過程。結(jié)合多參數(shù)法和載荷位移曲線，深入揭示了編織復(fù)合材料的破壞階段和破壞機(jī)理。

戚琳琳［7］對(duì)纖維、樹脂和具有不同鋪層的層合板的拉伸破壞過程中進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到了各試樣拉伸破壞過程中的聲發(fā)射信號(hào)特征。根據(jù)特征參數(shù)和關(guān)聯(lián)的參數(shù)曲線，得到了每個(gè)階段的詳細(xì)信息和各試樣的拉伸破壞機(jī)理，進(jìn)一步推理得到了PPTA/PP復(fù)合材料層合板的拉伸破壞機(jī)理。陳霞、肖迎春［8］觀察了沖擊損傷的復(fù)合材料層壓板的壓縮破壞過程，通過分析聲發(fā)射信號(hào)的特征規(guī)律，表征了在壓縮載荷下材料破壞的形式及其壓縮破壞的整個(gè)演化過程。李偉［9］運(yùn)用三維參數(shù)法，分析了試件的損傷聲發(fā)射特性。通過對(duì)信號(hào)的幅值的統(tǒng)一分析，從宏觀上描述了不同纖維走向的FRP材料拉伸破壞規(guī)律以及試件破壞發(fā)展、變化的全過程。

2 光纖光柵傳感法

2.1 光柵傳感器及使用原理

通過外界入射光子和纖芯內(nèi)的離子相互作用，實(shí)現(xiàn)在光纖的一小段范圍內(nèi)折射率發(fā)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。將多個(gè)小段的光柵串聯(lián)在同一根光纖上就構(gòu)成了Bragg光纖光柵傳感器。光纖光柵結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集原理如圖1所示。

圖1 光柵光纖傳感結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 光纖光柵傳感器在復(fù)合材料動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

（1）光纖傳感器由于自身的體積小，抗電磁能力和穩(wěn)定性極好，首先在航空工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)將特殊的光纖光柵傳感器應(yīng)用在了航天運(yùn)載火箭的復(fù)合材料油箱和飛機(jī)的粘接接頭性能的檢測(cè)評(píng)估上［10］。法國(guó)的多個(gè)科研機(jī)構(gòu)則將光纖光柵傳感器用于監(jiān)測(cè)構(gòu)件的分層和斷裂損傷以及評(píng)估戰(zhàn)斗機(jī)的反雷達(dá)效果。瑞典則將光纖傳感器埋入戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)部，用以檢測(cè)疲勞損傷和溫度對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的影響［11］。

（2）光纖光柵傳感器方法在復(fù)合材料構(gòu)件試驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。蔣園園［12］將光纖光柵傳感器埋入熱壓罐成型的碳纖維復(fù)合材料中，解決了這種工藝下光纖維的引出保護(hù)問題；并且發(fā)現(xiàn)，光纖維的直徑和埋入位置對(duì)構(gòu)件的性能都有一定影響，光纖埋入不同方向的纖維層時(shí)其靈敏度也不同。孫九霄［13］也對(duì)手糊、真空灌注、RTM和熱壓罐成型層合板的光纖引出和保護(hù)問題進(jìn)行了研究，解決了RTM和熱壓罐成型工藝的引出和保護(hù)問題。靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光纖對(duì)試件的壓縮性能有一定的影響，并且分別推導(dǎo)出了波長(zhǎng)和應(yīng)變關(guān)于FBG布置角度和距離的經(jīng)驗(yàn)公式。

李向華［14］則對(duì)編入光纖光柵的三維編織復(fù)合材料試件在拉伸試驗(yàn)條件下的失效模式進(jìn)行了研究。通過其力學(xué)性能測(cè)試和電鏡掃描從細(xì)觀的角度解釋了構(gòu)件破壞的機(jī)制。發(fā)現(xiàn)材料的拉伸破壞是由界面破壞發(fā)展到基體剝離脫落，最后導(dǎo)致纖維束被拔出拉斷；并且光纖在結(jié)構(gòu)沒有破壞之前先斷裂破壞，破壞之前，波長(zhǎng)是隨外荷載線性變化的。

張威［15］將光纖光柵埋入復(fù)合材料層合板，對(duì)其進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，通過對(duì)光柵信號(hào)的波長(zhǎng)變化的研究，可以明顯判斷出構(gòu)件分層、基體開裂和纖維斷裂等各個(gè)破壞階段。朱小平［16］則從理論角度分析了光纖光柵的光學(xué)特性和傳感原理，同時(shí)建立一套實(shí)用的傳感系統(tǒng)；通過懸臂梁振動(dòng)頻率試驗(yàn)與其他方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該方法和傳感系統(tǒng)有很好的精度和可靠性。

3 電阻法

3.1 電阻法監(jiān)測(cè)原理

由于碳纖維自身是導(dǎo)電材料，當(dāng)纖維的含量增加到一定程度后，整個(gè)材料就會(huì)形成一個(gè)立體的導(dǎo)電網(wǎng)路，承受外界荷載后，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)件的導(dǎo)電性能隨結(jié)構(gòu)的變化而變化。通過對(duì)與外電路相連后輸出的電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變化，了解結(jié)構(gòu)的健康狀況。一般采用四電極法進(jìn)行電阻測(cè)量，構(gòu)造原理如圖2所示。

圖2 四電極法測(cè)CFRP層壓復(fù)合材料板的接觸電阻

3.2 電阻法在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

Baron和Schulte［17］第一次應(yīng)用電阻法對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸損傷進(jìn)行檢測(cè)。Chung，Yuse［18，19］用電阻法對(duì)復(fù)合材料的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了研究，得到了CFRP材料在外荷載下導(dǎo)電性能的變化特性和其交流電導(dǎo)性能。Vavouliotis，Paipetis，Kostopoulos［20］研究了CFRP層合板在疲勞試驗(yàn)中縱向電阻的變化，發(fā)現(xiàn)電阻的變化和構(gòu)件典型的破壞特征緊密對(duì)應(yīng)，并且這個(gè)過程中伴隨著構(gòu)件剛度的下降。這一發(fā)現(xiàn)為預(yù)測(cè)在實(shí)際應(yīng)力水平下構(gòu)件的壽命提供了可靠的依據(jù)。東京大學(xué)的Akira Todorakia［21］等對(duì)復(fù)合材料梁和多種鋪層角度的層合板進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，對(duì)試件的電阻和變形關(guān)系進(jìn)行了研究。巖崎甲等［22］利用電阻法實(shí)現(xiàn)了對(duì)CFRP材料層間剝離的監(jiān)測(cè)。

綜上，國(guó)外對(duì)電阻法在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究較多。國(guó)內(nèi)對(duì)于短纖維的研究較多［23-25］，但是對(duì)于長(zhǎng)纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性的研究成果較少，健康監(jiān)測(cè)方面的更少。

莫淑華［26］建立了CFRP層合板的疲勞損傷的數(shù)學(xué)模型，以層合板的電阻變化作為模型的損傷參數(shù)，進(jìn)一步研究了CFRP層板的疲勞損傷與疲勞壽命的預(yù)報(bào)，建立了電阻和疲勞損傷狀態(tài)的之間的關(guān)系。毛亞琴［27］建立了一套監(jiān)測(cè)CFRP單向拉擠復(fù)合材料體積電阻的裝置，對(duì)拉伸荷載作用下CFRP拉擠復(fù)合材料和浸膠纖維束破壞過程進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)。詳細(xì)研究了縱向和橫向電阻不同荷載作用下的變化；分析發(fā)現(xiàn)，不同荷載作用下破壞模式不同，對(duì)應(yīng)的電阻的變化方式也不同，不同基酯破壞模式也不相同。

4 超聲回波技術(shù)

4.1 超聲回波技術(shù)的原理

聲波傳播的過程遇到不同的介質(zhì)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。在同種介質(zhì)中會(huì)持續(xù)往前傳播，并伴有能量損失；遇到2種介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射等。通過持續(xù)接收、處理分析構(gòu)件表面或內(nèi)部反射出的不同特性的聲波信號(hào)，來判斷和評(píng)估構(gòu)件的損傷位置和程度，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)的目的。原理如圖3所示。

圖3 超聲檢測(cè)原理示意圖

4.2 超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

超聲監(jiān)測(cè)技術(shù)目前主要用于材料和構(gòu)件中缺陷的靜態(tài)檢測(cè)。如劉戰(zhàn)捷［28］用超聲掃描方法對(duì)復(fù)合材料層壓板進(jìn)行缺陷檢測(cè)，不僅能顯示內(nèi)部缺陷的大小、位置和間距，還顯示出了纖維的鋪層的方向。章清樂［29］將超聲技術(shù)成功地應(yīng)用于復(fù)合材料氣瓶制作過程中缺陷的監(jiān)測(cè)上。張穎［30］則在超聲底板反射法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料管狀構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量的靜態(tài)掃描檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠?qū)軤罴?nèi)部的分層等缺陷實(shí)施準(zhǔn)確的檢測(cè)，并且也滿足了實(shí)際產(chǎn)品的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的研究成果相對(duì)較少。如孫亞杰［31］在超聲相控陣方法的基礎(chǔ)上，采用濾除自達(dá)波和邊界反射信號(hào)的方式對(duì)傳感器搜集到的信號(hào)進(jìn)行處理，精確實(shí)時(shí)地表征出了結(jié)構(gòu)的損傷程度和破壞過程，并且大大縮短監(jiān)測(cè)所需時(shí)間和排除了環(huán)境對(duì)采集信號(hào)的影響。該方法限制條件少，精度較高，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

5 其他方法

5.1 數(shù)字投影條紋干涉技術(shù)在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

首先將由計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)生成的光柵條紋投影到被測(cè)試件的表面，光柵條紋圖會(huì)隨著構(gòu)件形貌變化而變化。通過處理光柵圖轉(zhuǎn)化成的數(shù)字圖像，得到含有物體表面輪廓信息的相位分布，并將相位信息在相關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而重現(xiàn)物體的三維形貌，這一過程稱為數(shù)字投影條紋法。

在動(dòng)態(tài)的過程監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，詹樂昌［32］通過吸取國(guó)內(nèi)外的研究成果，對(duì)數(shù)字投影條紋技術(shù)三維測(cè)量方法進(jìn)行了優(yōu)化，并以此為理論基礎(chǔ)結(jié)合計(jì)算機(jī)和投影技術(shù)組建了一套數(shù)字化程度很高的三維形貌測(cè)量系統(tǒng)；并且在復(fù)合材料加筋板的壓縮試驗(yàn)中，準(zhǔn)確地記錄了試件形貌的變化，再現(xiàn)了試件形貌變化的全過程。其屈曲荷載與理論值很接近，說明數(shù)字投影光柵條紋技術(shù)能夠很有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的測(cè)試。

盡管投影光柵條紋法在復(fù)合材料試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)上已經(jīng)取得了初步的成功，但是目前其要是應(yīng)用在對(duì)宏觀物體形貌上的測(cè)量上，對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料破壞時(shí)，內(nèi)部纖維和樹脂的破壞模式不能給出解答。

5.2 正壓電效應(yīng)在復(fù)合材料動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象從而產(chǎn)生電荷。電荷極性和多少分別隨力的方向和大小變化而變化，且電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是根據(jù)這種正壓電效應(yīng)制成，原理如圖4所示。

武漢理工大學(xué)彭光?。?3］介紹了壓電效應(yīng)在飛機(jī)監(jiān)測(cè)上應(yīng)用，方法是將0.1 mm厚的聚偏維尼侖高分子壓電薄膜涂在飛機(jī)的表面。由于這類高分子壓電膜變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，通過傳感器可以監(jiān)測(cè)到電壓的變化。并且電壓會(huì)隨著裂紋的深度的增加而增大，通過電壓的變化分析就可以來確定裂紋大小和產(chǎn)生的位置。這類壓電高分子的另外一個(gè)特性是壓電薄膜產(chǎn)生的電荷具有記憶功能，不會(huì)消失，這樣就為全程監(jiān)測(cè)機(jī)體的健康狀況提供了可能，從而可以大大減少飛機(jī)事故。

圖4 正壓電原理示意圖

壓電效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于航天、軍事、土木工程等領(lǐng)域，但是在復(fù)合材料構(gòu)件尤其是在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用上很少，加上纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)特性，使得壓電效應(yīng)本身在其應(yīng)用有不少的局限性。

綜上所述，6種方法有各自的特點(diǎn)，但每一種方法都有各自的不足，如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需要2種、3種方法，甚至與靜態(tài)檢測(cè)方法同時(shí)應(yīng)用，互相補(bǔ)充。

表1 FRP動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)比

6 結(jié)語

聲發(fā)射技術(shù)、光纖光柵傳感技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)和電阻法已經(jīng)取得了較多的研究成果，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件破壞全過程的監(jiān)測(cè)；數(shù)字投影條紋干涉技術(shù)和正壓電效應(yīng)在復(fù)合材料動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的研究成果很少，目前在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用也十分有限。非破壞動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)方法以及未提及的非破壞靜態(tài)檢測(cè)方法（如射線法、紅外熱檢測(cè)、渦流檢測(cè)等）在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料監(jiān)測(cè)中扮演了重要角色，在實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮各種監(jiān)測(cè)方法的適用性。

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