專利名稱：一種檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料無損檢測與健康監(jiān)測研究領(lǐng)域，尤其涉及一種碳纖維復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射檢測方法。
背景技術(shù)：
碳纖維復(fù)合材料是目前國內(nèi)外廣泛研究和使用的先進(jìn)復(fù)合材料，它是由若干纖維和基體經(jīng)過物理和化學(xué)的方法宏觀上復(fù)合制成，各組分之間能“取長補(bǔ)短”、“協(xié)同作用”，具有剛度和強(qiáng)度高、比重小、疲勞和斷裂韌性好等優(yōu)點(diǎn)，這些是一般的金屬材料所不具備的， 已在航空航天、壓力容器和管道、新能源與節(jié)能、風(fēng)力發(fā)電、汽車、海洋與船舶、土木、體育器材等領(lǐng)域顯示出優(yōu)越性，應(yīng)用前景良好。
然而，由于復(fù)合材料的損傷失效機(jī)理十分復(fù)雜，主要失效模式分為層內(nèi)和層間損傷。從微觀力學(xué)來講，復(fù)合材料層內(nèi)損傷通常還包括纖維斷裂、基體開裂和纖維/基體界面分離、纖維屈曲等。由于復(fù)合材料在微觀上是不均勻的，纖維/基體分散性大，材料內(nèi)部存在各種隨機(jī)的缺陷(主要缺陷有氣孔、分層、疏松、越層裂紋、界面分離、夾雜、樹脂固化不良和鉆孔損傷等)，材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、累積與裂紋的擴(kuò)展將降低材料的強(qiáng)度與剛度， 從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，復(fù)合材料在服役過程中，對其進(jìn)行無損檢測和健康檢測十分重要。
目前，針對復(fù)合材料的無損檢測方法有射線檢測技術(shù)(包括X射線，紅外線，微波， CT照相等方法)、超聲檢測技術(shù)、聲發(fā)射檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、敲擊檢測技術(shù)、光纖傳感器檢測技術(shù)等。射線檢測雖然有檢測速度快、精度高、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，但X射線、CT照相的檢測設(shè)備復(fù)雜昂貴，需要進(jìn)行安全防護(hù)。超聲檢測穿透能力大，探傷靈敏度高，但對工件表面光潔度要求較高，同時(shí)需要專業(yè)人員操作。渦流檢測根據(jù)不同環(huán)氧樹脂配比和纖維編制排列的材料的電導(dǎo)率不同來檢測裂紋，僅適用于導(dǎo)電復(fù)合材料，對測試人員也需專門培訓(xùn)。 敲擊檢測方法設(shè)備簡單，操作方便，但僅適合大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢驗(yàn)，對小缺陷靈敏度低；光纖應(yīng)變傳感器檢測具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如穩(wěn)定性好、可靠性高、精度高、抗干擾、結(jié)構(gòu)簡單等，但設(shè)備昂貴，不適用于常規(guī)檢測
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳纖維復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射檢測裝置及方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置，它包括兩個(gè)傳感器、前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀；其中，所述兩個(gè)傳感器分別與前置放大器相連，前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀依次相連。
進(jìn)一步地，所述聲發(fā)射儀主要由信號采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示系統(tǒng)相連組成；所述帶通濾波器與聲發(fā)射儀的信號采集處理系統(tǒng)相連。
進(jìn)一步地，所述兩個(gè)傳感器的間距由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定；所述鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置包括石墨鉛筆芯、測力器、放大器、顯示器、電容換能器、待測換能器、前置放大器、瞬態(tài)記錄儀、計(jì)算機(jī)和函數(shù)記錄儀，測力器固定在石墨鉛筆芯上；測力器、 放大器和顯示器依次相連；電容換能器和待測換能器分別與前置放大器相連，前置放大器與瞬態(tài)記錄儀相連，瞬態(tài)記錄儀和函數(shù)記錄儀分別與計(jì)算機(jī)相連。
一種應(yīng)用上述聲發(fā)射裝置的碳纖維復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射檢測方法，該方法包括以下步驟(1)傳感器間距的確定與安裝由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定兩個(gè)傳感器的間距， 兩個(gè)傳感器固定在碳纖維復(fù)合材料表面，在傳感器與待測碳纖維復(fù)合材料之間填充耦合劑，使得兩者之間具有良好的聲耦合；(2)傳感器獲取復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射信號，該信號經(jīng)前置放大器放大后，由帶通濾波器消除噪聲，然后傳送至聲發(fā)射儀的信號采集處理系統(tǒng)；(3)信號采集處理系統(tǒng)處理后，在記錄與顯示系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖；(4)由步驟3獲得的實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖中得到的聲發(fā)射信號來判斷碳纖維復(fù)合材料破壞失效模式當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為 50-60dB時(shí)，表明基體開裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為60-70dB時(shí)，表明界面脫粘、纖維拔出、 橫向撕裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為70-80dB時(shí)，表明纖維拔出、纖維撕裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值> 80時(shí)，表明纖維束斷裂。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明的裝置具有實(shí)時(shí)信號反饋連續(xù)、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，可動(dòng)態(tài)提取和反饋復(fù)合材料在加載過程中出現(xiàn)的破壞失效信息；一次試驗(yàn)中可整體探測和評價(jià)整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷狀態(tài)；適應(yīng)于監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的早期或臨近破壞特性預(yù)測。
2、本發(fā)明的方法通過聲發(fā)射測試獲取的幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖，可準(zhǔn)確、快速地確定復(fù)合材料在各個(gè)加載階段的主導(dǎo)失效模式和失效機(jī)理，為深入研究復(fù)合材料的性能劣化機(jī)制提出技術(shù)支撐。


圖1是本發(fā)明裝置的線框原理框圖； 圖2是鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置圖； 圖3是鉛筆芯破裂源標(biāo)定法原理圖。
具體實(shí)施方式
作為一種檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞失效特征的先進(jìn)技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)具有實(shí)時(shí)信號反饋連續(xù)、靈敏度高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，可以提取和反饋復(fù)合材料動(dòng)態(tài)損傷和失效過程中的信息。目前，國內(nèi)外已開展了基于聲發(fā)射技術(shù)的復(fù)合材料破壞失效研究，然而對含有多種鋪層角度、不同開孔尺寸的復(fù)合材料層合板的破壞失效特性研究較少。因此，本發(fā)明提出一種能夠檢測不同鋪層、不同開孔尺寸的復(fù)合材料層合板破壞失效特性的聲發(fā)射技術(shù)方法，其研究對象主要以W°]、[90°]或兩種鋪層相交的W°/90°]j45°/-45°]層合板為主，研究方法主要通過搭建復(fù)合材料聲發(fā)射測試系統(tǒng)，提取聲發(fā)射特征參數(shù)(如能量、頻率和幅值等) 隨加載歷程的關(guān)系曲線，深入剖析復(fù)合材料的損傷演化特性、失效機(jī)理和主導(dǎo)失效模式，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行提供一種無損檢測方法。
聲發(fā)射檢測技術(shù)的工作原理是材料在加載條件下局部因能量快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波并最終傳播到達(dá)材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，這些探測器將試樣材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過前置放大器放大，再通過信號采集系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)，最后根據(jù)觀察到的聲發(fā)射信號對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而來評定聲發(fā)射源的特性。
下面根據(jù)附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
如圖1所示，本發(fā)明檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置包括兩個(gè)傳感器、前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀，其中，聲發(fā)射儀主要由信號采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示系統(tǒng)相連組成。兩個(gè)傳感器分別與前置放大器相連，前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀依次相連。具體來說，帶通濾波器與聲發(fā)射儀的信號采集處理系統(tǒng)相連。
兩個(gè)傳感器的間距由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定，如圖2所示，鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置包括石墨鉛筆芯、測力器、放大器、顯示器、電容換能器、待測換能器、前置放大器、瞬態(tài)記錄儀、計(jì)算機(jī)和函數(shù)記錄儀，測力器固定在石墨鉛筆芯上，測力器、放大器和顯示器依次相連；電容換能器和待測換能器分別與前置放大器相連，前置放大器與瞬態(tài)記錄儀相連，瞬態(tài)記錄儀和函數(shù)記錄儀分別與計(jì)算機(jī)相連。
測試時(shí)，電容換能器和待測換能器置于碳纖維復(fù)合材料上，如圖3所示，石墨鉛筆芯的筆尖在待測碳纖維復(fù)合材料表面繞支點(diǎn)移動(dòng)一段距離，在函數(shù)記錄儀上即可顯示兩只傳感器之間的間距。例如，在時(shí)差定位中，最大傳感器間距所對應(yīng)的傳播衰減，不宜大于預(yù)定最小檢測信號幅度與檢測門檻值之差，如當(dāng)門檻值為40dB，預(yù)定最小檢測信號幅度為 70dB衰減不宜大于30dB。傳感器的標(biāo)定由鉛筆芯破裂源標(biāo)定法(如圖3所示)來確定。斷裂鉛筆芯可以產(chǎn)生一個(gè)階躍函數(shù)形式的點(diǎn)源力，調(diào)節(jié)鉛筆芯直徑、長度和傾角就可以改變力的大小和方向，采用階躍點(diǎn)力產(chǎn)生彈性波的格林函數(shù)數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算40微秒接收波形結(jié)果與試驗(yàn)相一致。
工作時(shí)，根據(jù)鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定的間距，將兩個(gè)傳感器固定在待測碳纖維復(fù)合材料表面，傳感器能排除噪音信號的干擾，敏銳觀察到試樣中破壞的信號。傳感器將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為聲信號并傳送至前置放大器，可以采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)的 R6a型號的產(chǎn)品，但不限于此。前置放大器采用寬頻帶放大電路，其頻率范圍為50KHZ-2MKHz。前置放大器輸出的信號經(jīng)帶通濾波器過濾，消除噪聲后傳送至信號采集處理系統(tǒng)，記錄與顯示系統(tǒng)分析由傳感器傳遞過來的彈性波，從而繪制出能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖、 幅值-時(shí)間圖和幅值-位置等曲線圖，并在顯示屏上顯示出來。
本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射檢測方法，包括以下步驟 1.傳感器間距的確定與安裝由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定兩個(gè)傳感器的間距，兩個(gè)傳感器固定在碳纖維復(fù)合材料表面，在傳感器與待測碳纖維復(fù)合材料之間填充耦合劑，使得兩者之間具有良好的聲耦合。耦合劑可以為凡士林，但不限于此。
2.傳感器獲取復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射信號，該信號經(jīng)前置放大器放大后，由帶通濾波器消除噪聲，然后傳送至聲發(fā)射儀的信號采集處理系統(tǒng)。
3、信號采集處理系統(tǒng)處理后，在記錄與顯示系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖。
4、由步驟3獲得的實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖中得到的聲發(fā)射信號來判斷碳纖維復(fù)合材料破壞失效模式具體如表1所示，當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為50-60dB時(shí)，表明基體開裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為60-70dB時(shí)，表明界面脫粘、纖維拔出、橫向撕裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為70-80dB時(shí)，表明纖維拔出、纖維撕裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值> 80時(shí)，表明纖維束斷裂。實(shí)施例
本發(fā)明碳纖維復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射檢測方法，包括以下步驟 1.傳感器間距的確定與安裝由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定兩個(gè)傳感器的間距，兩個(gè)傳感器固定在碳纖維復(fù)合材料表面，在傳感器與待測碳纖維復(fù)合材料之間填充耦合劑，使得兩者之間具有良好的聲耦合。耦合劑可以為凡士林，但不限于此。
2.獲取復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射信號運(yùn)用電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)(MTS810-25ton)對W°/90°]、[45°/-45°]、
和[90°/45°/0°/-45°]等多種鋪層角度、不同開孔尺寸的的層合板試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，運(yùn)用美國PAC公司生產(chǎn)的48通道聲發(fā)射儀監(jiān)測復(fù)合材料的整個(gè)加載破壞過程獲取聲發(fā)射信號以及能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖、幅值-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖。
3.信號采集處理系統(tǒng)處理后，在記錄與顯示系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖。
4.基于聲發(fā)射信號的復(fù)合材料失效模式剖析基于在加載過程中獲取的實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖，對復(fù)合材料的失效機(jī)理和主導(dǎo)失效模式進(jìn)行剖析。從幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖曲線來看，纖維斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號達(dá)到SOdB以上，且能量值較高，對材料的破壞程度影響最大，但數(shù)量較少且主要集中在鄰近斷裂階段；來自基體裂紋破壞的信號幅度在 50-60dB附近，能量值較低，對材料整體力學(xué)性能影響不大；來自界面破壞的信號幅度主要在60-70dB附近，信號數(shù)量較多，能量值有所變化，對材料力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響；來自纖維拔出、纖維斷裂的信號幅度主要在70-80dB附近，對材料力學(xué)性能影響較大。而從計(jì)數(shù)-時(shí)間圖來看，前期只有少量基體裂紋，計(jì)數(shù)曲線緩慢增長，到了中期伴隨有界面破壞、 纖維拔出等破壞方式產(chǎn)生時(shí)，計(jì)數(shù)曲線斜率有較大的增長，到了后期由于纖維斷裂的聲發(fā)射信號數(shù)量少，所以計(jì)數(shù)曲線斜率相對變化不大，但還是會有略微增長。而從幅值-位置曲線圖來看，帶孔的試樣在開孔位置和試樣兩端的信號數(shù)量較大，幅值也較高，而不帶孔的試樣其聲發(fā)射信號于試樣上分布較均勻。不同鋪層角度的碳纖維復(fù)合材料在加載過程中所產(chǎn)生的主導(dǎo)失效模式與聲發(fā)射信號振幅之間的關(guān)系總結(jié)于表1中。
表1復(fù)合材料不同失效模式對應(yīng)的聲發(fā)射幅值
權(quán)利要求
1.一種檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置，其特征在于，它包括兩個(gè)傳感器、 前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀等；其中，所述兩個(gè)傳感器分別與前置放大器相連，前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀依次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置，其特征在于，所述聲發(fā)射儀主要由信號采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示系統(tǒng)相連組成；所述帶通濾波器與聲發(fā)射儀的信號采集處理系統(tǒng)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置，其特征在于，所述兩個(gè)傳感器的間距由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定；所述鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置包括石墨鉛筆芯、測力器、放大器、顯示器、電容換能器、待測換能器、前置放大器、瞬態(tài)記錄儀、計(jì)算機(jī)和函數(shù)記錄儀等，測力器固定在石墨鉛筆芯上；測力器、放大器和顯示器依次相連；電容換能器和待測換能器分別與前置放大器相連，前置放大器與瞬態(tài)記錄儀相連，瞬態(tài)記錄儀和函數(shù)記錄儀分別與計(jì)算機(jī)相連。
4.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述聲發(fā)射裝置的碳纖維復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射檢測方法， 其特征在于，該方法包括以下步驟(1)傳感器間距的確定與安裝由鉛筆芯模擬聲發(fā)射信號裝置確定兩個(gè)傳感器的間距， 兩個(gè)傳感器固定在碳纖維復(fù)合材料表面，在傳感器與待測碳纖維復(fù)合材料之間填充耦合劑，使得兩者之間具有良好的聲耦合；(2)傳感器獲取復(fù)合材料破壞失效聲發(fā)射信號，該信號經(jīng)前置放大器放大后，由帶通濾波器消除噪聲，然后傳送至聲發(fā)射儀的信號采集處理系統(tǒng)；(3)信號采集處理系統(tǒng)處理后，在記錄與顯示系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖；(4)由步驟3獲得的實(shí)時(shí)幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖中得到的聲發(fā)射信號來判斷碳纖維復(fù)合材料破壞失效模式當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為 50-60dB時(shí)，表明基體開裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為60-70dB時(shí)，表明界面脫粘、纖維拔出、 橫向撕裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值為70-80dB時(shí)，表明纖維拔出、纖維撕裂；當(dāng)聲發(fā)射信號的幅值> 80時(shí)，表明纖維束斷裂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測碳纖維復(fù)合材料破壞失效的聲發(fā)射裝置，它包括兩個(gè)傳感器、前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀；所述兩個(gè)傳感器分別與前置放大器相連，前置放大器、帶通濾波器和聲發(fā)射儀依次相連；本發(fā)明的裝置具有實(shí)時(shí)信號反饋連續(xù)、靈敏度高、操作簡便等特點(diǎn)，可動(dòng)態(tài)提取和反饋復(fù)合材料在加載過程中出現(xiàn)的破壞失效信息，整體探測和評價(jià)整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷狀態(tài)；適應(yīng)于監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的早期或臨近破壞特性預(yù)測。本發(fā)明方法通過聲發(fā)射測試獲取幅值-時(shí)間圖、能量-時(shí)間圖、計(jì)數(shù)-時(shí)間圖和幅值-位置曲線圖，可準(zhǔn)確、快速地確定復(fù)合材料在各個(gè)加載階段的主導(dǎo)失效模式和失效機(jī)理，為深入研究復(fù)合材料的性能劣化機(jī)制提出技術(shù)支撐。
文檔編號G01N29/14GK102507744SQ201110312029
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月16日
發(fā)明者儲進(jìn)科, 劉延雷, 劉鵬飛, 鄭津洋 申請人:浙江大學(xué)