聲發射技術在復合材料發展中的應用

???? 一、聲發射技術機理及特征
????? 聲發射(Acousticemission簡稱AE)又稱應力波發射，是材料或零部件受力作用產生變形、斷裂，或內部應力超過屈服極限ss而進入不可逆的塑性變形階段，以瞬態彈性波形式釋放應變能的現象。
????? 在外部條件作用下，固體（材料或零部件）的缺陷或潛在缺陷改變狀態而自動發出瞬態彈性波的現象亦為聲發射。
????? 通常意義上的聲發射源，一般是指材料受力的作用所產生的各種變形和斷裂機制，例如：金屬材料中的裂縫擴展、位錯運動、滑移帶的形成、孿生變形、晶界滑移、夾雜物的分離與開裂；復合材料中的基體開裂、層間分離、纖維和基體間界面分離和纖維斷裂等，這些無損檢測的主要對象，都是重要的聲發射源。
????? 聲發射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻。它的幅度動態范圍亦很廣，從微弱的位錯運動直到強烈的地震波。然而，聲發射作為無損檢測與無損評價手段，則是采用高靈敏度傳感器，在材料或構件受外力的作用，且又遠在其達到破損以前，接收來自這些缺陷與損傷開始出現或擴展時所發射的聲發射信號，通過對這些信號的分析、處理來檢測、評估材料或構件缺陷、損傷等內部特征。從而，通過聲發射檢測，可以確定：[1]
????? 1.材料或構件何時出現損傷；
????? 2.材料或構件出現損傷的部位；
????? 3.材料或構件出現損傷的嚴重程度及其危害性，對構件作出結構完整性評價。
????? 作為一種新的無損檢測技術，聲發射檢測技術與常規無損檢測技術：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相比較具有兩個基本性的特點：?敏感于動態缺陷，而不是靜態缺陷；即不像其他無損檢測技術只是在缺陷出現后，事后靜態檢測時才能發現，而是在缺陷萌生和擴展過程中，即能實時發現。-聲發射波來自缺陷的本身而不是外部；從而可以得到有關缺陷的豐富的信息以及檢測的高靈敏度與高分辨率。
????? 以上兩大特點導致該項技術具有了以下不同于常規無損檢測技術的優點：
????? 1)可獲得關于缺陷的動態信息，并據以評價缺陷的實際危害程度，以及結構的整體性和預期使用壽命；
????? 2)對大型構件，不需要移動傳感器做繁雜的掃查操作，只要布置好足夠數量的傳感器，經一次加載或試驗過程，即可大面積檢測確定缺陷的位置和監視缺陷的活動情況，操作簡便，省工、省時；
????? 3)可提供隨載荷、時間、溫度等處施變量而變化的實時瞬態或連續信息，因而適用于過程監控，以及早期或臨近破壞的預報；
????? 4)對被檢工件的接近要求不高，因而適用于其它無損檢測方法難以或不能接近的，如高低溫、核輻射、易燃、易爆和極毒等環境下的檢測；
????? 5)對構件的幾何形狀不敏感，適于檢測其他方法所不能檢測的形狀復雜的構件；
????? 6)幾乎所有材料在變形和斷裂時均產生聲發射，適用范圍廣。
????? 二、聲發射技術在復合材料領域中的應用
????? 復合材料是一種多相材料，由兩種或多種性質不同的材料組成，其主要組分是增強材料和基體材料，基本的結構形式是層壓件和纏繞件。
????? 復合材料因高的比強度和比模量以及良好的抗疲勞性和成形工藝性，而在航空、航天、造船、建筑、橋梁等工業部門得到了大量的應用，并在壓力容器、管道，以及某些關鍵部位代替金屬材料。但是，纖維增強復合材料具有導電性差、熱傳導率低、聲衰減高等特點，在機械和物理性能方面呈顯著的各向異性，這使得它對無損檢測的波傳播所起的作用與金屬材料迥異，因而，其無損檢測也與金屬材料顯然不同。
????? 復合材料結構由于制造工藝的特殊性，許多工藝參數的微小差異會導致其產生諸多缺陷，使產品質量呈現明顯的離散性。這些缺陷嚴重地影響構件的機械性能、結構完整性和使用壽命。
????? 復合材料結構缺陷的類型繁多，但大致可以分為兩大類：
????? 1)通常表現為損害構件的機械性能和物理性能的有：氣孔、夾雜、分層、纖維斷裂或不平直、纖維與基體的比值不正確、纖維和基體的結合狀況不佳、基體疏柱、基體裂縫、基體固化狀態不良等；
????? 2)通常表現為損害構件的整體完整性的有：脫粘、橫向斷裂、龜裂、缺膠、膠層厚度不均勻、結構內部損傷等。
????? 面對上述種類繁多的缺陷，迄今，還沒有一種無損檢測方法可以檢測各種復合材料構件的所有缺陷。在實際應用中，往往需根據復合材料構件的形狀、類型、使用要求，要求檢測的缺陷類型、大小、位置、取向及檢測設備檢測能力等因素，選用幾種不同的方法互相補充。???
????? 然而，我們對每一復合材料構件無損檢測的目標是在于：檢測它的結構的完整性、強度和承載能力，評估它的使用壽命和使用安全性。
????? 由于復合材料構件不同于金屬構件的特殊性，且對它的破壞機理還缺乏系統的了解，因而對它的主要缺陷類型仍是眾說紛紜，還不能用一、兩種主要類型的缺陷來決定其使用性能，評估預期壽命。例如，高性能的金屬結構，相對來說，是用不包含所不希望存在的缺陷的材料制成的。在使用中，破損往往起源于裂縫開始擴展為可辯認的缺陷的時候，而且發生于裂縫繼續擴展以后。所以，在大多數金屬結構中，我們所查找的基本缺陷是裂逢，一旦用無損檢測方法確定了有缺陷的結構，就可以利用斷裂力學的基本概念，計算出使用條件下金屬構件的預期壽命。
????? 正如上文所述，復合材料至今尚不能以少數的幾種類型缺陷確定為損傷起源的主要缺陷。
????? 大量實驗證明：有些具有明顯宏觀缺陷的架件，加載試驗到破壞，其疲勞壽命不一定就短；相反，有些無明顯宏觀缺陷的構件，若隱含有常規無損檢測難以檢出的、基體微裂紋等缺陷，在實驗中發現其所具有的疲勞壽命則遠短于正常構件。
????? 由于聲發射對缺陷起始和擴展的特有的敏感性，以及其所具有動態檢測強度和評估使用壽命的獨特功能，從而近年來，復合材料無損檢測與評價技術已經把重點轉移到，利用聲發射技術檢測材料與構件的缺陷（包括微觀缺陷）與損傷的萌生與擴展，并據以評估缺陷的危害程度，測定結構強度、整體性和預期使用壽命。對復合材料的發展而言，聲發射技術不僅僅是內部缺陷和損傷的無損檢測手段，且已成為材料性能（包括斷裂性能和力學性能等）研究、強度檢測與使用壽命評估的必不可少的方法。
????? 聲發射技術作為一種檢測技術起步于50年代初的德國，60年代，該項技術在美國原子能和宇航技術中迅速興起，并在玻璃鋼固體發動機殼體的檢測方面出現工業應用的首例[2]。70年代，在日、歐及我國相繼得到發展，但因當時的技術和經驗所限，僅只獲得有限的成功。80年代，聲發射技術開始獲得較為正確的評價，并獲得迅速發展，已在金屬和玻璃鋼壓力容器、儲罐、管道等重要領域進入工業應用和標準化階段。隨著計算機技術和信號處理技術的迅猛發展，國內先進聲發射設備研制公司在聲發射技術軟/硬件方面的一些重大技術突破，以及新的數字化聲發射系統和相應的商業化實用軟件包的推出，已能獲得復合材料缺陷與損傷，在其萌生和發展中，甚為豐富的和極其活躍的信息，使聲發射技術成為在復合材料等先進的、新型材料研究和生產中不可替代的動態無損檢測技術。
????? 聲發射技術在這一領域的應用大致可分如下幾個方面：???
????? 在復合材料性能研究方面的應用；
????? 在復合材料結構完整性檢測方面的應用；
????? 在復合材料結構制造過程監測方面的應用。
????? 三、在復合材料性能研究方面的應用
????? 復合材料與傳統的金屬材料相比，在航空航天以及軍用和民用領域得到越來越廣泛應用的最重要因素是其強度高、重量輕、機械性能優越，而這些卓越性能則來自于復合材料中各構成成份本身的優越性能和合理搭配。對于復合材料的強度、韌性方面的研究，離不開實驗手段，而聲發射技術在這些實驗研究中扮演極其重要角色。復合材料的損傷形式很復雜，大致可分纖維斷裂，基體開裂、脫粘、分層等幾種主要形式，每種損傷形式對復合材料的整體性能都有不同程度的影響和作用，所以對于復合材料性能的研究離不開對這些損傷形式的研究。實際上，由于復合材料本身的復雜性，使得關于復合材料破壞機理方面的研究一直處于探索階段，許多問題還沒有被人們所揭示。多年來人們采用了各種手段從事這些方面的研究，但這些手段都很困難且都有很大局限性。
????? 大量研究表明，盡管復合材料的幾種損傷形式都有各自不同的復雜性，但幾乎都有一個共同特點，那就是這些損傷缺陷發生和發展時都有很明顯的聲發射特征，而且聲發射手段對于這些損傷過程的分析都非常及時和有效，所以聲發射技術是復合材料破壞機理研究及強度性能研究的最有效手段之一。在這方面，國內外學者們進行了大量研究實踐，取得了許多可貴的成果。
????? 各種失效應變都對應明顯的AE計數率的突變，說明各種失效形式發生時，其AE計數率顯示出明顯的變化特征。
????? 在復合材料的聲發射特征中，振鈴計數、幅度、持續時間、恒載聲發射延續時間、Felicity比是區別復合材料構件各損傷階段、損傷類型、力學特性的主要參數。
????? 碳/環氧復合材料各損傷階段的聲發射特性
????? 注：P1、P2、P3為聲發射振鈴計數—應變曲線的三個拐點
????? 碳/環氧復合材料各種損傷類型對應的聲發射特征
????? 國內學者通過對SiC纖維鋁基復合材料聲發射研究發現用AE技術能準確測定單纖維金屬基復合材料中纖維斷枝數和纖維斷枝的平均長度，由此能測定SiC纖維的斷裂強度和纖維與鋁基體間的界面強度[5]。
????? J.G.BAKVCKAS等人通過對鈦基復合材料損傷過程的聲發射研究，也揭示了幾種主要的損傷形式發生時所對應的AE事件幅度的關系。
????? 損傷主要形式與AE事件幅度的對應關系
????? ThomasM.Ely等人對石墨環氧樹脂復合材料縱向開裂與_________纖維斷裂的聲發射特征研究進一步發現縱向開裂(LongitudinalSplitting)對應的AE特征為低幅度、短持續時間、低計數和低能量；而高幅值、長持續時間、高計數及高能量的AE信號則來自于纖維斷裂[7]。
????? JYI-JIINLUO等通過陶瓷基復合材料縱向拉伸試驗的深入研究進一步發現：
????? 在應力水平超過應力應變關系的比例極限時，開始出現基體裂紋并產生對應AE信號；在比例極限與應變硬化階段前的非線性階段，AE計數與相應應變值呈非常明顯的線性關系；在應變硬化開始點，基體裂紋及對應產生的AE信號達到飽和；在此后開始出現中等水平的AE信號及對應的纖維/基體脫粘現象；在剛度逐漸減弱時開始纖維斷裂或拉出，此時AE信號以穩定的數率連續減少[8]。???
????? 總之，AE技術在復合材料性能研究方面起了十分重要作用，也取得許多突破性的進展，但這方面的許多工作還處于探索
????? 四、在復合材料結構完整性檢測方面的應用
????? 由于復合材料強度高、重量輕的特點，近年來，被廣泛用于壓力容器、管道、飛機及航天器的某些部件上，聲發射技術對這些受力結構的完整性檢測和安全壽命評估提供了可靠方法。
????? 對于復合材料結構的無損檢測，其它常規無損檢測方法，像超聲、射線、渦流等手段對某些復雜缺陷或微小缺陷諸如基體微裂紋、纖維/基體脫粘及單束纖維裂紋等很難發現，且很難做到動態、實時監測，而只有聲發射手段能動態、實時發現這些缺陷?，F代聲發射技術的全波形聲發射技術不但能定性發現上述缺陷，而且通過多參數分析、相關分析等方法，尤其基于瞬態波形記錄的FFT分析手段更能對上述缺陷進行定量識別。
????? 聲發射用于壓力容器檢測方面，對于金屬壓力容器，聲發射手段已應用很廣、也很成熟，有關這方面的檢測規范及標準也已非常完美和可靠。對于復合材料壓力容器的檢測正是基于金屬壓力容器檢測基礎及復合材料AE研究基礎上開展起來的。如前所述，由于復合材料在損傷過程中其AE特征非常明顯，使用聲發射對復合材料壓力容器的檢測非常有效，同時由于復
????? 合材料不同于金屬材料，它本身是各向異性、非線性，以及幾種破壞形式的復雜性、不連續性，其缺陷檢測及安全評估方面又有很大的特殊性。
????? 美國ASME、ASNT、CARP、ASTM等學會都制訂了用聲發射技術檢測壓力容器的標準和規范。聲發射檢測已成為歐美等國家關于復合材料壓力容器檢測不可缺少的手段之一。
????? 聲發射技術用于復合材料壓力容器檢測及結構完整性研究，不僅可用于對缺陷的發現，更能有效地用于對缺陷的危害性進行評估與分析，最終對壓力容器進行安全可靠性及壽命評估。
????? 通過對AE源聲發射參數的分析，比如可提供注意監視、立即降載復檢、事后復檢或復檢次序等信息，這是其他無損檢測技術所難以做到的。
????? 關于復合材料結構的聲發射檢測主要用于飛機結構和航天器。在飛機結構方面，由于近年國外先進的軍、民用飛機大都不同程度地選用復合材料結構，所以復合材料結構的強度和壽命問題尤為重要。對于飛機設計師來說，除關心其結構是否有缺陷外，更關心的是缺陷何時出現的以及何時達到壽命極限。復合材料又不同于金屬材料，各向異性，幾種破壞形式，簡單地以缺陷大小作為安全評估并不很有效，這樣作為一種動態監測手段的聲發射技術就扮演了十分重要角色。我國在海豚直升機的碳纖維復合材料涵道大垂尾結構組件及殲七飛機復合材料垂尾上成功地進行了聲發射研究[10][11]。此外，在火箭殼體等用復合材料制成的航天器構件也都大量采用聲發射檢測技術。
????? 五、在復合材料結構制造過程監測方面的應用
????? 復合材料是由纖維與基體材料熔融固化而制成的，基體材料的熔融狀態和凝膠固化狀態的情況不同直接影響復合材料質量，而這些制造中的中間過程都會產生不同的聲發射信號，聲發射信號從另一角度反映了這些狀態過程，故可以用聲發射技術來監測復合材料的制造過程以實現質量控制。
????? 國內學者曾對碳纖維增強聚酰亞胺復合材料的加熱固化過程進行聲發射監測研究，結果發現：
????? 在該復合材料加溫固化過程中亞胺化反應和凝膠固化兩個過程均產生大量的連續型聲發射信號；
????? 在亞胺化反應完全結束，酒精和水充分揮發之后，凝膠固化開始之前，亞胺熔融不產生聲發射信號[12]。
????? 進而推出聲發射方法是監測碳纖維增強聚酰亞胺復合材料凝膠點的可靠方法。
????? 對于金屬基復合材料，由于金屬熔煉相變過程及冷卻固化過程都有不同的聲發射特征，對于金屬基復合材料同樣可用聲發射手段進行質量控制。
????? 六、展望
????? 隨著國內外復合材料研究、制造水平的提高以及復合材料在工程構件上的廣泛應用，人們對復合材料的性能尤其是強度、力學等性能的檢測要求日益迫切，聲發射技術必將在這一領域發揮越來越大的作用，并將成為不可缺少的手段之一。隨著未來技術的發展，聲發射技術在復合材料方面的研究在如下幾方面將成為研究熱點：
????? 其一，聲發射實時波形記錄和瞬態FFT分析等信號處理手段的應用將給進一步研究和區分復合材料損傷破壞形式中的纖維斷裂、基體開裂、分層、脫粘等破壞形式及損傷機理提供更準確手段?，F在的數字化全波形聲發射系統可以使傳統的聲發射參數采集和瞬態波形記錄、FFT分析同時實現和同時處理。
????? 其 二，作為現代處理技術的神經網絡及模態識別技術應用到聲發射研究，在傳統的聲發射研究中開辟了一個新領域，也給復雜條件下復雜結構的復合材料研究提供了新的可靠手段。由于復合材料損傷，不但聲發射特征明顯，而且聲發射信號非常豐富和復雜。神經網絡分析技術給解決這些復雜問題提供了新的手段。
????? 其三，聲發射技術與現代斷裂力學、損傷力學的結合將給復合材料構件的損傷容限設計提供依據，而且將更有效地揭示復合材料的損傷破壞機理和壽命規律。
????? 總之，聲發射技術將是復合材料研究領域中不可多得的有生力量。