黃 豆，吳錦武，汪佳輝

(南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌 330063)

連續(xù)纖維增韌2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗腐蝕、抗氧化和耐高溫等特點(diǎn)，在航空、航天及民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。陶瓷基復(fù)合材料缺陷損傷分析是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，而利用聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)檢測(cè)方式是分析材料缺陷損傷的方法之一。趙文政等[3]用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單向玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料壓縮試驗(yàn)，得出復(fù)合材料壓縮損傷信號(hào)分為3類，分別對(duì)應(yīng)基體開裂、纖維脫黏與纖維斷裂等3種損傷。黃喜鵬等[4-5]對(duì)三維針刺C/SiC復(fù)合材料的室溫單調(diào)拉伸和拉伸加載卸載試驗(yàn)進(jìn)行研究, 并利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試樣的損傷演化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得出3D-N C/SiC復(fù)合材料在拉伸載荷作用下主要存在5類損傷模式和對(duì)應(yīng)頻率,但沒有針對(duì)循環(huán)拉伸進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)聚類分析。謝楚陽等[6]開展了平紋編織以及二維針刺C/SiC復(fù)合材料的靜拉伸試驗(yàn)，通過聚類分析聲發(fā)射信號(hào)，建立聲發(fā)射信號(hào)與其損傷源之間的關(guān)系。另外文獻(xiàn)[5]也是采用K-means均值聚類法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析的。K-means均值聚類法存在以下不足：設(shè)定初始聚類中心值的大小會(huì)對(duì)聚類結(jié)果產(chǎn)生影響；一些過大的異常值會(huì)帶來很大影響；只適合球形聚類。

筆者在2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣的單調(diào)拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)過程中，采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試樣損傷演化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并用無監(jiān)督層次聚類(Hierarchical Clustering)法分析聲發(fā)射信號(hào)特征，詳細(xì)對(duì)比了單調(diào)拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)，得出試樣的單調(diào)拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)的損傷機(jī)理與聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律和異同性。研究結(jié)果可為2D-C/SiC復(fù)合材料的損傷演化機(jī)理提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

兩個(gè)相同的2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣尺寸為：總長(zhǎng)110 mm、平行段長(zhǎng)40 mm、平行段寬6.3 mm、試件厚度3.3 mm。試樣密度為2 g/cm3，孔隙率為15%，基體含量為45%，纖維體積含量為40%。試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗(yàn)裝置和過程

單調(diào)拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)用INSTRON 8872液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)加載應(yīng)力。用由4塊PCI-2采集卡所組成的8通道測(cè)試系統(tǒng)來檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)，且采用R80D壓電傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)。筆者先用一個(gè)2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，且由聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)全程收集聲發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)拉伸機(jī)加載速度為0.05 mm/min，為了減小環(huán)境噪聲的影響，設(shè)置聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)儀試驗(yàn)閾值為55 dB，試驗(yàn)環(huán)境溫度為17 ℃。試驗(yàn)得到2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣單調(diào)拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 試樣單調(diào)拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了對(duì)比兩種拉伸試驗(yàn)，利用結(jié)構(gòu)相同的2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)，聲發(fā)射信號(hào)收集方式、溫度和閾值及試驗(yàn)機(jī)加載速度都和單調(diào)拉伸試驗(yàn)的一致。該試樣的單調(diào)拉伸極限應(yīng)力為266.78 MPa。考慮循環(huán)拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣不被拉斷破壞，所以設(shè)置循環(huán)拉伸試驗(yàn)試樣的最大加載應(yīng)力不大于200 MPa，加載卸載試驗(yàn)次數(shù)為15次。

2 單調(diào)拉伸的聲發(fā)射信號(hào)分析

由于訓(xùn)練樣本未知，所以采用無監(jiān)督層次聚類[7]方法分析試驗(yàn)收集的聲發(fā)射信號(hào)。層次聚類分析能有效解決初始聚類中心的選值問題，還適用于其他形狀的聚類，可以很好地解決K-means聚類存在的問題。拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射采集系統(tǒng)提取5個(gè)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)[8]：幅度、能量、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和振鈴計(jì)數(shù)。對(duì)這5個(gè)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)用無監(jiān)督層次模式識(shí)別方法進(jìn)行分析，流程如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射信號(hào)層次聚類分析流程

2.1 特征參數(shù)聚類分析

在對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理過程中，計(jì)算出聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)中兩個(gè)相似性最小的參數(shù)為幅值和振鈴計(jì)數(shù)，所以選取這兩個(gè)參數(shù)為聚類分析參數(shù)指標(biāo)。在采用無監(jiān)督層次聚類模式識(shí)別方法分析聲發(fā)射信號(hào)時(shí)，層次聚類結(jié)果需要有效性分析，并確定最終的聚類數(shù)。采用誤差平方和準(zhǔn)則[11]和Davies-Bouldin指標(biāo)[12]對(duì)幅值和振鈴計(jì)數(shù)兩個(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行聚類有效分析，誤差平方和準(zhǔn)則指標(biāo)曲線和Davies-Bouldin指標(biāo)與聚類數(shù)K關(guān)系曲線分別如圖4，5所示(J-B為采用誤差平方和準(zhǔn)則進(jìn)行聚類有效性分析的計(jì)算數(shù)值；D-B為Davies-Bouldin進(jìn)行聚類有效性分析的計(jì)算數(shù)值)。

圖4 誤差平方和準(zhǔn)則指標(biāo)曲線

根據(jù)圖4可得誤差平方和準(zhǔn)則指數(shù)曲線在K為2和4時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。根據(jù)圖5可得Davies-Bouldin系數(shù)在K為2，3，4時(shí)值較小，但K取2對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分類不夠精準(zhǔn)，因此綜合判斷聚類數(shù)目K取4。

圖5 Davies-Bouldin指標(biāo)與聚類數(shù)K關(guān)系曲線

2.2 聲發(fā)射信號(hào)損傷演化分析

根據(jù)試樣的聲發(fā)射能量信號(hào)的應(yīng)力-時(shí)間曲線，將加載應(yīng)力分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ區(qū)間，聲發(fā)射信號(hào)能量-時(shí)間與應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖6所示。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)層次聚類分析結(jié)果，每類聲發(fā)射信號(hào)按能量平均值從低到高分別用Cluster1，Cluster2，Cluster3和Cluster4表示。

圖6 試樣聲發(fā)射信號(hào)能量-時(shí)間與應(yīng)力-時(shí)間曲線

由圖6可知，試樣應(yīng)力初始第Ⅰ階段主要存在Cluster1，Cluster2和Cluster3聲發(fā)射信號(hào)。因?yàn)镾iC基體與碳纖維熱膨脹系數(shù)的不同和受工藝的影響，試件在加工制備過程中，其內(nèi)部始終有熱殘余應(yīng)力[13]或存在初始微裂紋。在試樣應(yīng)力損傷初始階段，初始微裂紋開始擴(kuò)展，該過程也會(huì)伴隨新裂紋的產(chǎn)生和較低能量的聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)。由于Cluster1信號(hào)最早發(fā)生，并較集中在應(yīng)力損傷初始階段，且Cluster1信號(hào)能量、幅值等參數(shù)都最低，因此確定Cluster1聲信號(hào)對(duì)應(yīng)基體裂紋的擴(kuò)張和基體開裂的損傷模式。

在第Ⅱ應(yīng)力階段，以Cluster3和Cluster4聲發(fā)射信號(hào)為主，其中Cluster3信號(hào)呈爆炸式增長(zhǎng)，該過程還伴隨少量Cluster2信號(hào)的發(fā)生。由于在該階段，試樣基體開裂和裂紋不斷增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不連續(xù)，進(jìn)一步引起復(fù)合材料試樣纖維或纖維束的應(yīng)力集中，直到碳纖維應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度時(shí)，碳纖維斷裂或纖維束斷裂。纖維和纖維束的強(qiáng)度分散性較大，纖維隨載荷的增加而發(fā)生斷裂。又因?yàn)槔w維之間相互黏結(jié)，每次因?yàn)槔w維斷裂產(chǎn)生的缺陷尺寸較大，使得纖維斷裂的聲發(fā)射信號(hào)具有較高的能量，所以Cluster3聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)纖維斷裂損傷。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料纖維束的剩余承載極限時(shí)，纖維束整體斷裂，單次釋放極高的能量。因此，Cluster4聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)纖維束斷裂損傷。

在第Ⅲ應(yīng)力階段主要是低能量的Cluster1和Cluster2聲發(fā)射信號(hào)，伴有少量的高能量Cluster3和Cluster4聲發(fā)射信號(hào)。隨著復(fù)合材料試件載荷的不斷增加，基體裂紋繼續(xù)連接、擴(kuò)展，最后形成更大的裂紋。但是由于碳纖維和碳纖維束阻止了裂紋橫向擴(kuò)展，根據(jù)能量最低原理[4]，裂紋會(huì)沿著PyC界面(纖維與基體之間的界面層)擴(kuò)展，從而引起界面脫黏并滑移，該過程聲發(fā)射信號(hào)的幅值也較小、釋放的能量也較少。因此，Cluster2信號(hào)對(duì)應(yīng)界面脫黏滑移損傷。

在第Ⅳ應(yīng)力階段，主要是低能量的Cluster1和Cluster2聲發(fā)射信號(hào)。該階段主要發(fā)生基體斷裂損傷和纖維脫黏滑移損傷，伴有極小比例的纖維斷裂損傷發(fā)生，直到試樣完全斷裂。

3 循環(huán)拉伸的聲發(fā)射信號(hào)分析

循環(huán)拉伸試驗(yàn)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知，每次加載卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率都要比上一次試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的小，說明循環(huán)拉伸過程中試樣彈性模量不斷減小、損傷在逐漸增加。提取出循環(huán)拉伸試驗(yàn)的每次加載過程中首次加載的應(yīng)力和其對(duì)應(yīng)的時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，將上述加載應(yīng)力和其對(duì)應(yīng)時(shí)間按照加載卸載試驗(yàn)次序依次連接，得到如圖8所示的循環(huán)拉伸試驗(yàn)首次加載應(yīng)力-時(shí)間曲線。再提取出每次加載卸載試驗(yàn)首次加載應(yīng)力對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射能量特征參數(shù)，得到如圖8所示的聲發(fā)射能量-時(shí)間關(guān)系曲線。每類聲發(fā)射信號(hào)按能量平均值從低到高也分別用Cluster1，Cluster2，Cluster3和Cluster4表示。

圖8中，1，2和3表示循環(huán)拉伸試驗(yàn)的拉伸加載次序。根據(jù)單調(diào)拉伸試驗(yàn)的結(jié)論：第1～7次加載卸載試驗(yàn)是試樣加載應(yīng)力的第Ⅰ階段；第8～11次加載卸載試驗(yàn)是試樣加載應(yīng)力的第Ⅱ階段；第12～15次加載卸載試驗(yàn)是試樣加載應(yīng)力的第Ⅲ階段。

圖8 首次加載的應(yīng)力-時(shí)間和聲發(fā)射能量-時(shí)間曲線

由圖8可知，第1～3次拉伸試驗(yàn)主要是Cluster1信號(hào)，且集中出現(xiàn)。聲發(fā)射信號(hào)Cluster1是最先出現(xiàn)的，是低能量信號(hào)。因?yàn)樵嚰跏祭爝^程中，基體是主要的受力部分，基體損傷表現(xiàn)為基體初始裂紋擴(kuò)展和新裂紋生成，所以Cluster1信號(hào)對(duì)應(yīng)基體開裂、裂紋擴(kuò)張損傷。在第4～7次拉伸試驗(yàn)中主要有低能量的信號(hào)Cluster2和高能量信號(hào)Cluster3，還伴隨大量基體開裂損傷信號(hào)Cluster1發(fā)生。在4次試驗(yàn)中，2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的碳纖維和碳纖維束阻止了裂紋橫向擴(kuò)展，根據(jù)能量最低原理，裂紋首先會(huì)沿著PyC界面擴(kuò)展，從而引起界面脫黏并滑移，且釋放的能量也較少。因此，低能信號(hào)Cluster2是PyC界面脫黏損傷并滑移時(shí)發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)。在第5～7和10～11次試驗(yàn)過程中，陶瓷基復(fù)合材料PyC界面產(chǎn)生脫黏損傷并滑移后，單纖維和纖維束成為主要的受力部分。當(dāng)加載應(yīng)力大于單纖維極限應(yīng)力或纖維束極限應(yīng)力時(shí)，單纖維或纖維束發(fā)生斷裂損傷并釋放能量較高的聲發(fā)射信號(hào)，因此信號(hào)Cluster3對(duì)應(yīng)單纖維斷裂損傷。

在第3次試驗(yàn)的開始時(shí)有一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，時(shí)間是75.08 s，應(yīng)力峰值是61.98 MPa，并伴隨最高能量的聲發(fā)射信號(hào)Cluster4發(fā)生。在該時(shí)間應(yīng)力迅速提高，這是因?yàn)殡S著C/SiC復(fù)合材料應(yīng)變的不斷增大，某個(gè)纖維和纖維束在基體應(yīng)變時(shí)是主要的受力部分，而纖維和纖維束彈性模量很大，該時(shí)間段出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力峰值。因此將聲發(fā)射高能量信號(hào)Cluster4定義為纖維束斷裂損傷信號(hào)。

選取循環(huán)拉伸試驗(yàn)的第1，10，15次應(yīng)力加載卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。循環(huán)拉伸第1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)能反映試樣的初始損傷狀態(tài)；第10次試驗(yàn)有4種聲發(fā)射信號(hào)，且首次加載應(yīng)力范圍較寬，能反映試樣的綜合損傷情況；第15次試驗(yàn)數(shù)據(jù)能反映試樣的第Ⅲ階段的應(yīng)力狀態(tài)。這3次試驗(yàn)的應(yīng)力-時(shí)間及聲發(fā)射信號(hào)能量-時(shí)間的關(guān)系曲線如圖9所示。

由圖9可知，三次加載卸載試驗(yàn)有相似規(guī)律：即循環(huán)加載區(qū)間和首次應(yīng)力加載區(qū)間的應(yīng)力-時(shí)間曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)角，且都在循環(huán)試驗(yàn)過程中的循環(huán)加載區(qū)間和應(yīng)力卸載區(qū)間與首次應(yīng)力加載區(qū)間連接處有低能量的聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生，有明顯的費(fèi)利西蒂(Felicity)效應(yīng)[14]。費(fèi)利西蒂效應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)為低能量信號(hào)，甚至有些信號(hào)能量比Cluster1的更低。原因在于：在循環(huán)加載區(qū)間和卸載區(qū)間界面剪切阻力τ[15]作用下，界面重復(fù)摩擦而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)Cluster1和Cluster2。由圖9可知，在循環(huán)加載區(qū)間和卸載區(qū)間的剪切阻力τ對(duì)試樣的力學(xué)性能影響較小。在圖9的循環(huán)加載區(qū)間和應(yīng)力卸載區(qū)間還有很多能量小于20 mV·ms的聲發(fā)射信號(hào)。這是因?yàn)榻缑婕羟凶枇Ζ邮状我鸬慕缑婺Σ玲尫泡^低能量的Cluster2，而循環(huán)拉伸試驗(yàn)多次界面摩擦后釋放的聲發(fā)射能量將減小到20 mV·ms以下。

圖9 循環(huán)拉伸試驗(yàn)第1，10，15次試驗(yàn)曲線

4 兩次拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)能量值對(duì)比分析

由圖6和圖8可得到試樣單向拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)各類損傷的聲發(fā)射信號(hào)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知：?jiǎn)蜗蚶煸囼?yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster1能量平均值比循環(huán)拉伸的信號(hào)Cluster1平均值高30.3%；單向拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster2能量平均值比循環(huán)拉伸的信號(hào)Cluster2平均值低31.6%；單向拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster3能量平均值比循環(huán)拉伸的信號(hào)Cluster3平均值高12.6%；單向拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster4能量平均值比循環(huán)拉伸的信號(hào)Cluster4平均值高0.2%。

表1 各類聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的損傷類型

單向拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)Cluster1和Cluster2的能量平均值偏差較大。單向拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster1，Cluster2，Cluster3和Cluster4能量主要范圍和循環(huán)拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster1，Cluster2，Cluster3和Cluster4能量主要范圍最大偏差均小于16.7%，所以單向拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)的4種聲發(fā)射信號(hào)能量主要范圍基本一致。

5 結(jié)語

(1) 單調(diào)拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)收集的聲發(fā)射信號(hào)分別用層次聚類方法進(jìn)行分析，兩次試驗(yàn)分析結(jié)果表明，2D -C/SiC復(fù)合材料拉伸損傷模式主要有4種，基體開裂、界面脫黏滑移、纖維斷裂和纖維束斷裂。

(2) 循環(huán)拉伸試驗(yàn)中的循環(huán)應(yīng)力加載和卸載兩個(gè)區(qū)間都有少量的基體開裂或界面滑移損傷發(fā)生，具有明顯的費(fèi)利西蒂效應(yīng)，但對(duì)2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能影響很小，所以基體開裂和界面脫黏滑移損傷對(duì)試樣的力學(xué)性能影響較小。費(fèi)利西蒂效應(yīng)可以為疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的聲發(fā)射檢測(cè)提供依據(jù)。

(3) 2D-C/SiC陶瓷基復(fù)合材料試樣在應(yīng)力首次從0 MPa加載到196 MPa區(qū)間時(shí)，試樣循環(huán)拉伸和單向拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射信號(hào)Cluster1，Cluster2，Cluster3和Cluster4的應(yīng)力分布基本相同。且單向拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸的聲發(fā)射信號(hào)Cluster1，Cluster2，Cluster3和Cluster4能量主要范圍最大偏差小于16.7%。所以可以用2D-C/SiC復(fù)合材料單調(diào)拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射模板判斷循環(huán)拉伸試驗(yàn)中的損傷種類和損傷程度。