曹玉祥 安璐 李志強(qiáng) 容禹

摘 要：聲發(fā)射（Acoustic Emission簡(jiǎn)稱“AE”），是材料變形或破壞時(shí)積蓄起來(lái)的應(yīng)變能所釋放聲音能量的傳播現(xiàn)象。大量的聲發(fā)射信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生在碳纖維復(fù)合材料拉伸損傷過(guò)程中。本文通過(guò)對(duì)聲發(fā)射（AE）信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究碳纖維復(fù)合材料的損傷演變規(guī)律;對(duì)于碳纖維復(fù)合材料之細(xì)微變形及應(yīng)變能的變化，聲發(fā)射（AE）技術(shù)可以比傳統(tǒng)百分表、應(yīng)變儀技術(shù)能夠超前檢測(cè)出來(lái)，因此聲發(fā)射（AE）技術(shù)看成為預(yù)測(cè)、分析碳纖維復(fù)合材料中動(dòng)態(tài)構(gòu)造變化的實(shí)用方法。將聲發(fā)射（AE）技術(shù)應(yīng)用于碳纖維板（CFRP）復(fù)合材料的使用狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，可以在抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中應(yīng)用國(guó)際先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)使用壽命健康檢測(cè)體系，使得抗震防災(zāi)及工程結(jié)構(gòu)安全可靠度領(lǐng)域中大量房屋、橋梁、邊坡、地下工程等重要工程結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性安全產(chǎn)生科學(xué)有效的保障效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;碳纖維復(fù)合材料;工程結(jié)構(gòu)使用壽命

Abstract：Acoustic Emission（AEousion for short）is a propagation phenomenon of sound energy released by strain energy accumulated when materials are deformed or destroyed.A large number of acoustic emission signals will be generated during the carbon fiber composite tensile damage.In this paper，by analyzing the data of acoustic emission（AE）signals，the damage evolution law of carbon fiber composites is studied.For the fine deformation of carbon fiber composites and the change of strain energy，acoustic emission（AE）technology can be compared with traditional dial gauges and strains.Instrument technology can be detected in advance，so acoustic emission（AE）technology is seen as a practical method for predicting and analyzing dynamic structural changes in carbon fiber composite materials.Applying Acoustic Emission（AE）technology to the dynamic monitoring of the use status of CFRP composite materials，it can apply the international advanced engineering structure life and health detection system in the fields of earthquake resistance and disaster prevention and engineering structure safety and reliability，making the earthquake resistant The systematic safety of a large number of important engineering structures such as houses，bridges，slopes，and underground engineering in the field of disaster prevention and engineering structure safety and reliability has produced scientific and effective guarantee effects.

Key words：acoustic emission;carbon fiber composite materials;service life of engineering structures

目前，聲發(fā)射檢測(cè)是碳纖維復(fù)合材料的損傷檢測(cè)主要方法之一，聲發(fā)射檢測(cè)，是一種在碳纖維復(fù)合材料的損傷檢測(cè)領(lǐng)域有待開(kāi)發(fā)的被動(dòng)檢測(cè)方式。聲發(fā)射檢測(cè)利用材料在局部受力作用下，產(chǎn)生能量快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的特征，配之以彈性波記錄的分析，揭示材料內(nèi)部在外界載荷作用下產(chǎn)生的變形、裂紋形成以及裂紋的擴(kuò)展、斷裂等現(xiàn)象。由于可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不影響設(shè)備的運(yùn)行，也不受材料加工形狀及表面結(jié)構(gòu)的影響，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)因此成為了復(fù)合材料損傷分析中一種重要的分析技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)普通鋼筋混凝土梁與增加新型碳纖維復(fù)合材料的梁的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，分析新型碳纖維復(fù)合材料對(duì)鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度提高情況;使用聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱“AE”）技術(shù)，是一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料混凝土梁的內(nèi)部損傷與擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)狀況。

1.2 材料與試樣及實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備

（1）選擇日本東麗公司生產(chǎn)的T300型環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合板，斜紋編織鋪層結(jié)構(gòu)，纖維體積含量40%;“固特棒”結(jié)構(gòu)碳纖維復(fù)合板專用膠，垂流度1～0，抗壓強(qiáng)度89.7MPa，拉伸抗剪強(qiáng)度89.7MPa正拉粘結(jié)強(qiáng)度4.2MPa。

（2）加載設(shè)備，拉桿、分配梁、反力鋼梁、千斤頂測(cè)力計(jì)。

（3）數(shù)字靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（DH3818-2）。

（4）聲發(fā)射儀器：Disp型數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)，美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）;傳感器型號(hào)為SR40-RIC，前置放大器增益為40dB，帶通頻率為10KHZ～2.5MHZ。

（5）CMOS相機(jī)：MER-500-7UM-L型，中國(guó)大恒（集團(tuán)）有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)進(jìn)程

根據(jù)圖3所示，試件在對(duì)于預(yù)應(yīng)力碳纖維板復(fù)合材料拉伸過(guò)程中，根據(jù)AE產(chǎn)生的幅度值、撞擊累積數(shù)隨時(shí)間的變化歷程數(shù)據(jù)現(xiàn)象，材料的損傷可以劃分成為三個(gè)階段。第一階段，為損傷初始階段：在20s之前的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，AE信號(hào)基本檢測(cè)不到;實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到20s左右，幅度值高于40dB的AE信號(hào)開(kāi)始出現(xiàn);當(dāng)高于90dB的AE信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，表明材料撞擊累積數(shù)上升緩慢。鑒于AE信號(hào)不穩(wěn)定性，加載初期外界環(huán)境產(chǎn)生的噪聲信號(hào)干擾導(dǎo)致一些高幅度值A(chǔ)E信號(hào)產(chǎn)生，此階段的材料損傷模式，主要是碳纖維板復(fù)合材料內(nèi)部工藝缺陷和微小裂紋，在小載荷作用下形成的損傷;同時(shí)，試件有少量基體開(kāi)裂，以及與邊緣的纖維微損傷現(xiàn)象產(chǎn)生。第二階段作為損傷累積階段，此階段AE事件持續(xù)性增加，而撞擊累積數(shù)也平穩(wěn)遞增。此階段AE事件的幅度值主要集中于40dB～100dB之間，實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是在40s～160s之間;試件內(nèi)部，由于基體開(kāi)裂與纖維束/基體間脫粘，從而造成的損傷現(xiàn)象是持續(xù)加重。第三階段，為損傷破壞階段：實(shí)驗(yàn)時(shí)間在160s～200s，AE現(xiàn)象增加急劇，表明撞擊累積數(shù)迅速升高，伴隨著基體開(kāi)裂、纖維束/基體脫粘以及纖維斷裂等多種損傷的發(fā)生;加載到200s左右，碳纖維板試件徹底斷裂現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖3 碳纖維板試件AE幅值、撞擊累積數(shù)、時(shí)間的變化關(guān)系

2 結(jié)果與分析

如圖6所示，碳纖維板復(fù)合材料試件在拉伸載荷作用下，AE持續(xù)時(shí)間、AE幅值隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的情況，反映出在試件加載初期AE信號(hào)持續(xù)時(shí)間短、幅值低，這可能與碳纖維板復(fù)合材料試件內(nèi)部少量基體和邊緣部分纖維損傷有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入損傷累積階段后，高幅值的AE事件明顯增加很多，也有一些低幅值的AE信號(hào)出現(xiàn)，在這一階段碳纖維板復(fù)合材料基體損傷程度明顯加重，同時(shí)伴隨纖維/基體的脫粘。進(jìn)入材料的損傷破壞階段，纖維是復(fù)合材料拉伸方向荷載的主要承擔(dān)者。當(dāng)試件面臨失效時(shí)，AE的信號(hào)持續(xù)時(shí)間急劇增加，直至達(dá)到峰值幅值，當(dāng)AE的信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)，碳纖維板中的纖維斷裂，導(dǎo)致碳纖維板復(fù)合材料試樣最終破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 結(jié)論

對(duì)于某抗震防災(zāi)工程結(jié)構(gòu)的混凝土梁中、碳纖維板復(fù)活材料在單軸受壓狀態(tài)下聲發(fā)射現(xiàn)象的分析，依據(jù)聲發(fā)射過(guò)程，得到了碳纖維量化的損傷結(jié)果，并以Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)進(jìn)行分析。理論與試驗(yàn)結(jié)果表明：運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行碳纖維復(fù)活材料損傷評(píng)估，能夠了解碳纖維復(fù)活材料內(nèi)部裂縫形成與開(kāi)展的過(guò)程，定量識(shí)別碳纖維復(fù)活材料損傷的大小，聲發(fā)射技術(shù)因此是一種簡(jiǎn)便、快捷的動(dòng)態(tài)方法。由于不需要了解碳纖維復(fù)活材料未損傷狀態(tài)時(shí)的物理參數(shù)，故對(duì)于工程資料不全或者缺失的工程結(jié)構(gòu)，判定碳纖維復(fù)活材料曾經(jīng)承受的最大應(yīng)力歷史，評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀況、評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)曾經(jīng)承受的最大應(yīng)力，應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)是有效可行的。如圖7所示，實(shí)驗(yàn)在拉伸荷載的作用下，AE持續(xù)時(shí)間和幅度值隨時(shí)間變化情況。在實(shí)驗(yàn)試件的加載初期，AE信號(hào)持續(xù)時(shí)間短、幅值低，這可能與碳纖維板復(fù)活材料試件內(nèi)部少量基體和邊緣部分纖維損傷有關(guān);進(jìn)入損傷累積階段，高幅度值的AE現(xiàn)象增多明顯，但也有一些低幅值的AE信號(hào)產(chǎn)生;在此階段，碳纖維板復(fù)活材料基體損傷程度加重，同時(shí)伴隨纖維/基體的脫粘;在實(shí)驗(yàn)進(jìn)入損傷破壞階段，碳纖維板復(fù)活材料中的纖維，是復(fù)合材料拉伸方向荷載的主要承擔(dān)者;當(dāng)AE信號(hào)的持續(xù)時(shí)間增加急劇、直至達(dá)到峰值幅度值的現(xiàn)象產(chǎn)生，表明實(shí)驗(yàn)試件即將要失效。AE信號(hào)增加到最大值時(shí)，纖維斷裂導(dǎo)致碳纖維板復(fù)活材料試樣最終破壞。

以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料損傷演變規(guī)律的監(jiān)測(cè)得出如下結(jié)論：（1）碳纖維板復(fù)活材料加載之后，試件中纖維/樹(shù)脂界面發(fā)生剝離的同時(shí)，由材料缺陷或殘留應(yīng)力引起的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)局部纖維拉斷;（2）當(dāng)碳纖維板荷載接近破壞強(qiáng)度時(shí)，試件中的纖維開(kāi)始拉斷，由于纖維界面強(qiáng)度不是很高，裂紋向纖維方向擴(kuò)展。高溫硬化型碳素纖維強(qiáng)化（CFRP）的情況下，由于樹(shù)脂是脆性的，纖維開(kāi)始發(fā)生破壞時(shí)便立即破壞;（3）本次材料實(shí)驗(yàn)破壞屬于拉張型破壞，破壞面是由樹(shù)脂覆蓋的，很明顯破壞在樹(shù)脂中進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]童小燕，張佳麗，姚磊江，李斌，呂勝利.2D-C/SiC拉伸損傷的聲發(fā)射信號(hào)聚類分析[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（02）：109-114.

[2]商雅靜，尹寒飛，周偉，張燕南.碳纖維三維四向編織復(fù)合材料拉伸變形與損傷破壞行為[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2018（12）：41-46.

[3][日]縢山邦久編著，馮夏庭譯，雷興林校.聲發(fā)射（AE）技術(shù)的應(yīng)用[J].冶金工業(yè)出版社，1996（12）：84-92.

[4]沈功田著.聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].科學(xué)出版社，11-18.

[5]王銀玲，李華聰.遺傳法優(yōu)化的碳纖維復(fù)合材料聲發(fā)射數(shù)據(jù)聚類分析[J].無(wú)損檢測(cè)，2019（10）：2-5.

[6]徐嗣嘉.基于小波包能量譜和LMD的車軸聲發(fā)射信號(hào)特征提取研究[D].大連交通大學(xué)，2016.

[7]陳金龍，宮文然，李峰.含分層損傷復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下的屈曲問(wèn)題研究[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2015，45（05）：464-470.

[8]錢元，張點(diǎn)，周光明，石曉紅，馮海心.碳-玻纖維混雜正交三向復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，36（01）：158-164.

科技基金及計(jì)劃項(xiàng)目：貴州省科技基金項(xiàng)目（黔科合J字[2010]2040號(hào)）;貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合GY字[2011]3042號(hào)）;貴陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（筑科合同[2011101]1-44號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：曹玉祥（1964-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)、工程材料分析及設(shè)計(jì)等方面研究;安璐，李志強(qiáng)，容禹，分別為高級(jí)工程師、工程師，主要從事機(jī)械原理研究設(shè)計(jì)、工程材料分析等方面研究。