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含分层碳纤维增强复合材料损伤声发射定量表征
赵惠;杨飒;于璇;王璇;牛卫飞
【期刊名称】《设备管理与维修》
【年(卷),期】2024()8
【摘要】基于声发射技术,实现了含分层缺陷碳纤维复合材料的定量评价。
采用三点弯曲加载对含近表面分层和中间位置分层缺陷的碳纤维增强复合材料试件进行实验测试,结合声发射技术对试件的损伤起裂/演化进行评价。
结果表明,采用声发射信号的累计声能可以实现损伤的量化表征,含近表面分层缺陷的试件抗弯强度比含中
间位置分层缺陷的试件低11.39%,累计声发射能量高6.1%;分层缺陷的存在不会改变试件损伤模式;含近表面分层缺陷的复合材料更易出现纤维断裂,且整体损伤较多。
【总页数】6页(P37-42)
【作者】赵惠;杨飒;于璇;王璇;牛卫飞
【作者单位】天津市特种设备监督检验技术研究院;国家市场监管重点实验室(特种设备数字孪生共性技术);北京城建智控科技股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.基于支持向量机的碳纤维增强复合材料梁的分层损伤识别
2.基于模态声发射的碳纤维增强复合材料损伤机制识别
3.碳纤维增强树脂基复合材料层合板的损伤阻抗
表征4.基于声发射的碳纤维复合材料孔出口分层损伤识别
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基于声发射技术的碳纤维复合材料损伤机理研究Abstract： Tensile break， Stratified shear and interlayer crack of carbon fiber composite laminate were monitored by acoustic emission technique. And the acoustic emission signals of tensile specimens were analyzed. The results showed that carbon fiber released signals of different characteristics in different stages. So， the acoustic emission technique could effectively distinguish the different stages such as delaminating， detaching and fracture. Also， different angles in specimen's layers of carbon fiber had different mechanical properties and failure mechanisms. Analysis on experimental data showed that acoustic emission testing technique could determine the process of different internal activities in carbon fiber composite laminate. Therefore， it could be used in the integrity evaluation for carbonfiber composite materials.Key words： composite materials；tensile test；bend test；acoustic emission中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0176-040 引言随着碳纤维复合材料在高压容器、航空等领域的广泛应用[1，3]，复合材料完整性检测技术及损伤（断裂，错层，张开）分析技术在不断完善。
浅谈碳纤维复合材料的无损检测摘要：碳纤维复合材料在建筑、交通运输、宇航工业等方面得到广泛的应用。
为保证复合材料的安全应用，复合材料的检测研究受到人们的广泛重视。
本文主要探讨碳纤维复合材料的无损检测技术。
关键词：碳纤维复合材料；无损检测1 碳纤维复合材料无损检测现状1.1 红外热波检测方法红外热波无损检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被检测材料内部热学性质差异以及热传导的不连续性使物体表面温度产生差异，进而在物体表面的局部区域形成温度梯度。
温度不同时红外辐射能力也随着发生变化，借助红外热像仪对被测试件进行探测，根据红外热像仪探测的辐射分布来推断被测试件的内部缺陷。
李艳红等[1]用红外热波无损检测技术对碳纤维层压板的圆形缺陷进行了检测研究。
试验结果显示，该技术能以直观易懂的图像形式展现出被检材料内部的缺陷情况。
原始图像和一阶微分图像能较清楚地显现出轮廓及温度变化过程，还可以做缺陷尺寸标定及深度测量。
但由于热图对材料非均匀性的敏感，也可能会对某些试件缺陷造成误判。
通过利用红外热波检测方法对碳纤维层压板冲击损伤研究。
结果表明，红外波检测方法可以清晰地表征碳纤维层压板的纤维走向，还可以确定冲击损伤在试件内部随深度的变化过程。
李晓霞等[2]对低速冲压后的碳纤维复合材料进行了红外热波检测分析，研究了损伤面积和冲击能量之间的关系。
结果表明，红外热波不仅对冲击损伤的大小具有检测能力，还可以对损伤材料内部冲击点处的扩展损伤模式进行有效的检测。
霍雁等[3]利用脉冲红外热成像技术，对碳纤维复合材料试样内部的模拟脱粘缺陷深度进行测量研究。
利用该方法测量脱粘缺陷深度的精度由单点法标定测量结果，实现了在被检测材料热属性参数未知的情况下能较准确地测量脱粘缺陷深度。
金国锋等[4]为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别，采用超声红外热波方法进行检测研究。
结果表明，超声热波方法适于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别，而对脱粘等非界面贴合型缺陷检测无效果。
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020100026基于模态声发射的碳纤维复合材料损伤研究孙 贺1， 李 伟2， 张璐莹2， 蒋 鹏2(1. 中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司，浙江 宁波 315000;2. 东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)摘 要: 针对碳纤维复合材料失效机理复杂，声发射信号量大，结构健康状态监测困难的问题，提出一种碳纤维复合材料在线监测损伤预测方法。
首先，分析铝板中不同位置的典型声发射信号，获得一种声发射信号模态识别方法。
在纤维束、树脂单一损伤实验中获得纤维束断裂、树脂开裂声发射信号的模态特征。
设计T700碳纤维复合材料层合结构拉伸实验，定义预触发能量E 来表征不同载荷条件下碳纤维复合材料由纤维断裂损伤引起的微振动情况。
结果表明，纤维束断裂与树脂开裂声发射信号包含不同模态频率成分，且模态成分差异明显。
随着损伤的积累，较高频率成分信号的预触发能量E 开始波动，这对复合材料层合结构失效有预警作用，为结构健康状态在线监测研究提供参考。
关键词: 碳纤维复合材料; 声发射; 连续小波变换; 模态识别; 预触发能量中图分类号: TP391;TB9文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2021)05–0016–08Research on damage of carbon fiber composites based on modal acoustic emissionSUN He 1, LI Wei 2, ZHANG Luying 2, JIANG Peng 2(1. Sinopec Zhenhai Refining & Chemical Company, Ningbo 315000, China;2. School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)Abstract : Problems for carbon fiber composite material failure mechanism is very complex, large acoustic emission signal, structural health monitoring difficulties, proposed prediction method for online monitoring damage a carbon fiber composite material. First, analyze the typical acoustic emission signals at different positions in the aluminum plate, and obtain an acoustic emission signal modal recognition method. Then, the modal characteristics of the fiber bundle fracture and resin crack acoustic emission signal are obtained by the experiment which only fiber bundle and only resin damage. Finally, carry out tensile test of T700 carbon fiber composite laminate structure, investigate the effect of structural micro vibration caused by fiber fracture damage on the pre-trigger waveform energy E . The result shows, the acoustic emission signals of fiber bundle fracture and resin cracking contain different modal frequency components, and there are significantly different between modal frequency components. With the accumulation of damage, the pre-trigger energy E of the high-frequency signal begins to fluctuate, which has an early warning effect on the failure of the composite laminate收稿日期: 2020-10-11；收到修改稿日期: 2020-11-18基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC0805600)作者简介: 孙 贺（1994-），男，黑龙江鹤岗市人，硕士，主要从事现代无损检测技术研究。
基于声发射技术的碳纤维复合材料损伤机理研究【摘要】本研究旨在探究基于声发射技术的碳纤维复合材料损伤机理。
文章首先介绍了研究背景和目的，随后分析了声发射技术概述和碳纤维复合材料特性。
接着探讨声发射技术在损伤检测中的应用及碳纤维复合材料损伤机理研究方法，并进行了实验结果分析。
总结了碳纤维复合材料损伤机理的探究和声发射技术在损伤检测中的应用前景。
通过本研究对碳纤维复合材料损伤机理的深入研究，为相关领域的科研工作提供了重要的理论支持和实验数据，具有一定的科学研究价值和应用前景。
【关键词】碳纤维复合材料、声发射技术、损伤机理、研究、碳纤维、复合材料、特性分析、损伤检测、实验结果分析、探究、应用前景。
1. 引言1.1 研究背景碳纤维复合材料具有重量轻、强度高、刚性好等优良特性，因此在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域广泛应用。
碳纤维复合材料在使用过程中容易受到各种外部力的影响而产生损伤，如裂纹、脱层、疲劳等，这些损伤严重影响材料的性能和寿命。
如何准确、及时地检测和评估碳纤维复合材料的损伤状态成为当前研究的重点之一。
本文旨在通过基于声发射技术的研究方法，探究碳纤维复合材料的损伤机理，为提高碳纤维复合材料的损伤检测效率和准确性提供借鉴。
1.2 研究目的研究目的是通过对基于声发射技术的碳纤维复合材料损伤机理进行深入研究，揭示碳纤维复合材料在受力过程中的损伤机制和演化规律，为提高材料的性能和延长使用寿命提供理论依据。
具体来说，研究目的包括：1. 探究碳纤维复合材料在声发射技术下的损伤特征和规律，分析声发射信号与材料损伤之间的关联性；2. 建立声发射技术在损伤检测中的应用模型，为材料损伤的早期诊断和预警提供技术支持；3. 探索碳纤维复合材料损伤机理研究方法，优化实验方案和数据分析方法，提高研究效率和准确性；4. 分析实验结果，揭示碳纤维复合材料在不同应力状态下的损伤演化过程，为材料设计和应用提供参考依据。
通过这些研究内容，旨在深入了解碳纤维复合材料的损伤机理，探索声发射技术在材料损伤监控中的应用前景。
复合材料拉伸损伤的声发射特征及其机理研究复合材料是由不同类型的材料组合而成的材料。
它具有高强度、轻质、耐腐蚀和耐磨损等优点，因此被广泛应用于航空、汽车、建筑、运动器材等领域。
然而，由于其独特的结构和性质，复合材料在机械和物理环境下容易发生损伤，其中拉伸损伤是其最常见的一种。
了解复合材料拉伸损伤的声发射特征及其机理对于预测材料的性能和科学研究具有重要意义。
一、复合材料拉伸损伤的声发射特征复合材料在拉伸过程中会产生声波，称为声发射。
声发射技术是通过分析复合材料在应力加载下的声波信号来识别和监测其损伤状态的一种非破坏性检测技术。
研究表明，在拉伸加载过程中，声发射信号的特征与复合材料的损伤程度密切相关。
声发射信号的主要特征包括幅值、频率和持续时间等。
当复合材料受到应力加载时，材料内部的裂纹、孔洞和层间剥离等缺陷会逐渐扩展，导致声发射信号的幅值增大。
此外，随着损伤程度的加剧，声发射信号的频率也会发生变化，由高频逐渐转为低频。
最后，持续时间也是声发射信号的重要特征之一。
在材料应力达到最大值时，声发射信号的持续时间最长，属于瞬态信号，然后随着应力的减小而逐渐消失。
二、复合材料拉伸损伤机理研究复合材料的拉伸损伤具有复杂的机理，目前研究较为深入的机理主要包括纤维断裂、界面失效和基体破坏等。
1. 纤维断裂机制纤维断裂是复合材料拉伸损伤的最常见形式之一。
当外力作用于复合材料时，复合材料内部的纤维受到拉伸应力，如果应力超过其承受范围，纤维就会断裂。
断裂部位通常在纤维的最薄处或弯曲处。
纤维断裂还会导致层间剥离和孔洞形成，加剧材料损伤程度。
2. 界面失效机制复合材料是由多种不同材料组合而成，如纤维、基体和增强材料等。
这些不同材料之间的界面是保持复合材料强度的重要结构。
然而，在复合材料拉伸过程中，界面处易发生失效，如分离、剥离和剪切等。
界面失效不仅会导致材料强度降低，还会加速其他损伤形式的发生。
3. 基体破坏机制当复合材料内部的纤维断裂和界面失效加剧时，还会导致基体破坏，如疲劳、塑性变形和断裂等。
碳纤维复合材料弯曲损伤的声发射试验研究
【摘要】采用声发射技术研究了碳纤维复合材料的弯曲损伤与破坏行为。
实验结果表明，碳纤维铺层在损伤与断裂不同阶段所释放的声发射信号特征不同，声学检测能有效的监测其剪切分层，混合分层，张力分层过程，声发射检测能有效判断碳纤维复合材料内部活动过程，判定损伤类型，在碳纤维复合材料结构与完整性评价中有良好的应用价值。
【关键词】复合材料混合模式弯曲试验声发射
1 前言
随着碳纤维复合材料在高压容器，航空航天等领域应用的逐渐深入，复合材料损伤机理分析及整体完整性检测也在大量开展[1-3]。
层合复合材料的层间结合较弱，分层敏感性成为许多先进复合材料的主要弱点[4-9]。
因此，评价复合材料抵抗分层的能力问题倍受人们关注。
本文研究了典型的碳/环氧复合材料的ⅰ/ ⅱ混合模式分层行为和层间断裂韧性，同时采用美国pac公司的声发射设备进行全过程采集声发射信号，并对如计数，能量等参量及波形进行了分析，结合材料的力学性能讨论了复合材料损伤行为与ae信号特征的对应关系，为ae技术在复合材料损伤机理研究和安全性能评估方面提供参考。
图1？试验装置
2 试验部分
2.1 混合模式弯曲试样
试验采用浙江大学提供的碳纤维[0/90]4s复合材料，编号为
5-1-1、5-1-2，试样尺寸150×20×3，试件一端切除长25mm的缺口，可以形成张开和剪切两种分层形式，同时几何中面埋入长50mm、厚0.02mm 的聚四氟乙烯薄膜，形成预制分层。
2.2 试验设备及方法
采用mts 810型材料试验机对试样进行加载，速率为1mm/min。
声发射仪为pac的 samos-48，ae参数设置为峰值定义时间50μs，撞击定义时间200μs，撞击闭锁时间300μs，门槛值40db。
耦合剂为真空脂，将r15i型传感器缠绕固定在试样一端，试验装置如图1所示：
3 分析讨论
3.1 力学性能分析
试样在加载过程中，缺口侧预制分层逐渐张开，铺层间存在分层张力，同时由于上下铺层间弯曲变形的不协调性，层间存在剪切应力。
研究表明此碳纤维复合材料的分层扩展行为属于脆性的分层断裂，如图2所示。
加载开始，随着位移的增加载荷直线增长，呈现一个很好的线性加载阶段a（0-95s）；它反映了分层层间的基体和界面中微损伤的累积，分层力为层间剪切力；当载荷超过到层间剪切的临界值，层间发生微观错动；有一个微弱的非线性过程b （95-160s），期间分层间纤维，粘结面不断受张开拉力，剪切力陆续断裂，此刻宏观观测到层间已发生相对错动，预制薄膜分层逐渐
张开，载荷略有下降。
此后发展着一个可控制的稳定的分层扩展过程c，即位移继续增加，分层平稳地张开，位移停止，分层张开随即中止，可看到分层沿着试样弯曲切线方向逐渐张开，分层为张开拉力所致。
图2？位移-载荷曲
3.2 声学特性分析
图3为试样5-1-2的时间-能量曲线图，可以看出0-95s（a阶段）为低能量持续性信号，说明此阶段层间的基体和界面中微损伤的不断积累，释放微弱信号。
95-160s（b阶段）持续产生中等能量的撞击，可解释为达到层间剪切的临界值后分层界面开始错动，可观测到上下铺层沿着预制薄膜分层逐渐张开，部分短纤维束，粘结剂受剪切力，张开拉力等因素陆续断裂，释放一定能量的信号。
随着试件的进一步弯曲（c阶段），分层前沿不断前移开裂，更多的短纤维被拉断，
上下铺层沿着预制薄膜处逐渐分层，张开，更多的长纤维束被拉断，258s时分层开裂至加载点，下铺层与弯曲曲线相切，这个阶段集中释放了大量高能量信号。
从两个试件的时间-计数、时间-能量关系图4中也能看出曲线存在（95s、160s）2个拐点，三个阶段与图2、3中a、b、c阶段相对应，通过拐点可判断试样的受力状态及分层内部的活动状态。
图4？时间-计数-能量曲线
复合材料混合模式分层的声发射源可简化为纤维拉伸断裂、层间
剪切错动摩擦，界面脱胶三种形式。
图5为试样的持续时间-能量-幅值的散点分布图，可以看出撞击信号分为两个典型的区域。
ⅰ区为小于50db的低幅值、低能量，能量与持续时间不成比例的撞击信号，是因为层间微弱剪切错动，相互摩擦，界面脱胶所释放的声波在高频区域能量较小，幅值很低，信号单一。
ⅱ区为能量与持续时间成正比的，幅值较高且分布广泛的信号，可解释为纤维断裂所释放的高频断裂信号，信号特征较集中。
图5？持续时间--能量—幅值曲线
4 结论
（1）通过力学性能测试发现碳纤维复合材料混合模式分层阶段为剪切分层，混合分层，张力分层过程；
（2）通过对分层信号分析可有效的监测其内部活跃情况，剪切分层信号能量，幅值很低，混合分层信号幅值较大，能量与持续时间成正比，张力分层时期为典型的纤维断裂信号，信号特征教集中；（3）声发射信号曲线与力学性能曲线有一致的对应关系和吻合，通过对撞击信号深入分析可有效的判断材料内部分层的转换拐点，内部活跃程度，分层模式，为材料性能研究提供有力的理论支持。
参考文献
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