Page 70 - 无损检测2023年第十一期

刘武刚, 等:

拉伸载荷下陶瓷基高温复合材料损伤状态特征分析

的大幅值信号, 表征了高温复合材料在外载荷作用 1 试件典型声发射信号时频分布如图3 ( a ) 所
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下内部损伤的状态, 分析其包含的频率成分, 可以得 示。分析可得, 陶瓷基高温复合材料损伤声发射信

到材料内部损伤的宏观特征。而 X-CT 三维数字图 号的频率分布在 500kHz内, 随着载荷增大, 信号

像则能直观地展现出复合材料内部损伤状态, 表现 的高频部分增加。载荷在1650N 前, 以5kHz频
出材料内部损伤的微细观特征。以下将从声发射信 率能量最高, 呈现单一频率形式, 其余频率相对能量

号特征及复合材料内部损伤两个层面分析损伤的 较小。当 1650 N 至 1962 N 载 荷 过 程 中, 以

状态。 44kHz频率能量最高, 其余频率相对较小; 随载荷

2.1 声发射信号特征分析 增大, 出现多个频率峰值, 然后, 又以 44kHz频率
2.1.1 1 试件 单个峰值为主。从图 3 ( a ) 所示的时频分布可以看

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陶瓷基高温复合材料拉伸试验原位 CT 监测加 出, 信号能量主要分布在 150kHz以下, 集中出现

载阶段的典型声发射信号历程如图2所示。从全过 在44kHz附近区域。

程声发射信号历程图可以得到, 在1340N 载荷以 2.1.2 2 试件
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下, 所采集到的声发射信号基本上为噪声信号, 信号 2 试件典型声发射信号及其时频分布如图
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幅值约为200mV , 说明试件在此阶段载荷作用下, 3 ( b ) 所示。与 1 不同的是, 2 试件的时频分布明

没有产 生 可 监 测 的 声 发 射 信 号; 在 1340 N~ 显呈现出规律性的变化。可以发现, 主要信号能量
1650N 加载阶段中, 偶尔出现一到两次较大声发 集中在44kHz , 150kHz和250kHz此3个频率值

射损伤信号, 信号幅值约为400mV , 说明在此载荷 附近。根据声发射技术应用的“ 材料和结构内部不

阶段中, 试件中已开始出现信号可监测的少量损伤; 同的损伤对应不同的声发射信号特征” 的假设, 可以

在1650N~1962N 加载阶段中, 随着载荷增大, 判断出其分别对应复合材料损伤的3个损伤模式。
信号的数量与幅值也出现增多和增大。在最后试件 同时可以看出, 这3种频率基本上处在同一时刻, 说
破坏阶段, 信号幅值与数量达到峰值, 说明此阶段的 明这3种损伤模式几乎同时发生, 这也证明了在复
试件损伤随载荷增加而增多, 损伤严重程度也增大, 合材料损伤过程中, 各个损伤模式不是单独发生, 而
直至试件破坏。 是同步发生的。

图2 典型载荷状态下的试件声发射信号历程
2.2 复合材料损伤特征分析 发射信号一一对应, 实际试验时可以缩小载荷之间
对不同载荷下 CT 三维数字图像进行处理, 分 的差值来减小这种差异。
析在不同阶段中出现的损伤类型。由于声发射技术 2.2.1 1 试件
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是对复合材料在载荷作用下的损伤进行高速监测与 不同载荷下的 CT 损伤图像如图 4 所示。由

记录, 连续最高采样频率可达10MHz , 故能够对不 图4可见, 465N 低载荷时, 试件中没有可见的损

同时刻的损伤扩展进行实时跟踪。目前 CT 原位监 伤出现; 1340N 载荷时, 试件边角处开始出现界
测只能在载荷达到一定量级时, 保持载荷在恒定值, 面分层损伤, 同时可以观察到编织纤维束之间富

完成对整个试件的断层扫描, 扫描次数还不能达到 基体的位置出现了基体孔洞不连续缺陷; 1460N
较高的频率, 故其所得到的 CT 图像反映的损伤是 时, 在试件凹槽位置的纤维束交叉处, 纤维与基体

一定载荷作用下的损伤静态结果, 还不能做到与声 之间出现界面损伤; 1650N 时, 在靠近加工边界

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2023年 第45卷 第11期
无损检测