[發明專利]一種檢測碳纖維復合材料破壞失效的聲發射裝置及方法

無效

• 申請號: 201110312029.X
• 申請日: 2011-10-16
• 公開（公告）號: CN102507744A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 劉鵬飛;儲進科;劉延雷;鄭津洋
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N29/14
• 分類號: G01N29/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明涉及復合材料無損檢測與健康監測研究領域，尤其涉及一種碳纖維復合材料破壞失效聲發射檢測方法。

背景技術

碳纖維復合材料是目前國內外廣泛研究和使用的先進復合材料，它是由若干纖維和基體經過物理和化學的方法宏觀上復合制成，各組分之間能“取長補短”、“協同作用”，具有剛度和強度高、比重小、疲勞和斷裂韌性好等優點，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、新能源與節能、風力發電、汽車、海洋與船舶、土木、體育器材等領域顯示出優越性，應用前景良好。

然而，由于復合材料的損傷失效機理十分復雜，主要失效模式分為層內和層間損傷。從微觀力學來講，復合材料層內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。由于復合材料在微觀上是不均勻的，纖維/基體分散性大，材料內部存在各種隨機的缺陷（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），材料內部微裂紋的產生、累積與裂紋的擴展將降低材料的強度與剛度，從而降低結構的使用壽命。因此，復合材料在服役過程中，對其進行無損檢測和健康檢測十分重要。

目前，針對復合材料的無損檢測方法有射線檢測技術（包括X射線，紅外線，微波，CT照相等方法）、超聲檢測技術、聲發射檢測技術、渦流檢測技術、敲擊檢測技術、光纖傳感器檢測技術等。射線檢測雖然有檢測速度快、精度高、結果直觀等優點，但X射線、CT照相的檢測設備復雜昂貴，需要進行安全防護。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，同時需要專業人員操作。渦流檢測根據不同環氧樹脂配比和纖維編制排列的材料的電導率不同來檢測裂紋，僅適用于導電復合材料，對測試人員也需專門培訓。敲擊檢測方法設備簡單，操作方便，但僅適合大型復合材料結構的現場檢驗，對小缺陷靈敏度低；光纖應變傳感器檢測具有一系列的優點，如穩定性好、可靠性高、精度高、抗干擾、結構簡單等，但設備昂貴，不適用于常規檢測。

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發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種碳纖維復合材料破壞失效聲發射檢測裝置及方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種檢測碳纖維復合材料破壞失效的聲發射裝置，它包括兩個傳感器、前置放大器、帶通濾波器和聲發射儀；其中，所述兩個傳感器分別與前置放大器相連，前置放大器、帶通濾波器和聲發射儀依次相連。

進一步地，所述聲發射儀主要由信號采集處理系統、記錄與顯示系統相連組成；所述帶通濾波器與聲發射儀的信號采集處理系統相連。

進一步地，所述兩個傳感器的間距由鉛筆芯模擬聲發射信號裝置確定；所述鉛筆芯模擬聲發射信號裝置包括：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、瞬態記錄儀、計算機和函數記錄儀，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，前置放大器與瞬態記錄儀相連，瞬態記錄儀和函數記錄儀分別與計算機相連。

一種應用上述聲發射裝置的碳纖維復合材料破壞失效聲發射檢測方法，該方法包括以下步驟：

（1）傳感器間距的確定與安裝：由鉛筆芯模擬聲發射信號裝置確定兩個傳感器的間距，兩個傳感器固定在碳纖維復合材料表面，在傳感器與待測碳纖維復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）傳感器獲取復合材料破壞失效聲發射信號，該信號經前置放大器放大后，由帶通濾波器消除噪聲，然后傳送至聲發射儀的信號采集處理系統；

（3）信號采集處理系統處理后，在記錄與顯示系統中顯示實時幅值-時間圖、能量-時間圖、計數-時間圖和幅值-位置曲線圖；

（4）由步驟3獲得的實時幅值-時間圖、能量-時間圖、計數-時間圖和幅值-位置曲線圖中得到的聲發射信號來判斷碳纖維復合材料破壞失效模式：當聲發射信號的幅值為50-60dB時，表明基體開裂；當聲發射信號的幅值為60-70dB時，表明界面脫粘、纖維拔出、橫向撕裂；當聲發射信號的幅值為70-80dB時，表明纖維拔出、纖維撕裂；當聲發射信號的幅值≥80時，表明纖維束斷裂。

本發明的有益效果是：

1、本發明的裝置具有實時信號反饋連續、靈敏度高、操作簡便等優點，可動態提取和反饋復合材料在加載過程中出現的破壞失效信息；一次試驗中可整體探測和評價整個復合材料結構的缺陷狀態；適應于監控復合材料結構的早期或臨近破壞特性預測。