声-超声技术在碳-碳复合材料薄板损伤检测中的应用

　　引言

　　声-超声技术(Acousto-Ultrasonic Technique),简称AU技术,又称应力波因子技术(Stress Wave Factor Technique),简称SWF技术。与通常的无损检测方法不同,AU技术主要用于检测和研究材料中分布的细微缺陷群的存在以及对结构机械性能(强度或刚度)整体影响,属于材料完整性评估技术[1,2]。

　　AU技术的基本原理可以归纳为:采用压电换能器或激光照射等手段在材料(复合材料或各向同性材料)表面激发询问脉冲应力波;该应力波在内部与材料的微结构(包括纤维增强层合板中的纤维、基体,各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区)相互作用并且经过界面的多次反射与波型转换后,到达置于结构同一或另一表面的其他一个或多个地方接收应力波信号的接收传感器(压电传感器或激光干涉仪);然后对接收到的波形信号进行分析,提取一个能反映材料(结构)机械性能(强度,刚度)变化的参量,称为应力波因子,即SWF因子。

　　其基本思想是:更有效的应力波传播效率,即提取的SWF因子数值越大,相应于材料(结构)更高的强度、刚度和断裂韧性,或材料内更少的损伤。

　　AU技术在石墨-环氧单向板的冲击损伤测试中,曾有很好的SWF因子与冲击次数的关联关系[3]。

　　以往国外所做的AU测试,大都借助商用声发射仪器,国内虽有做声发射实验的,但尚未见过做AU测试的报道。本文采用普通的压电陶瓷传感器和数字式示波器替代商用声发射仪器,对具有预冲击脱层损伤的碳-碳复合材料薄板做了AU测试。结果表明,AU测试能较好地检测损伤的存在。

　　1　试样的制备

　　以碳纤维材料T-300为基本成分,采用预浸料的形式制作碳-碳复合材料薄板一块,尺寸为(400mm×300mm×2mm)。然后,将此薄板切割成等尺寸板条(400mm×90mm×2mm)三块,编号为1#,2#,3#。

　　采用摆锤冲击板条制作不同程度的损伤。冲击锤冲头为球形,冲头和连杆共重5.24 kg,质心到转轴的距离为663.2 mm。1#,2#,3#板条使用的冲击角度分别为30°,45°,90°,相应的冲击能量分别为4.56J,9.97J,34.06J。冲击点均在距板条一端100 mm处。冲击易造成复合材料的脱层损伤。为了了解试样的损伤情况,用于对比研究,本试验采用了超声C扫描以确定冲击点附近的损伤(脱层)形状。测试系统为美国PAC公司的超声C扫描仪,扫描结果见图1。1#板条出现大范围分散的损伤,2#板条有并行的三块脱层,3#板条产生可目测的穿透型损伤,不需要扫描。

　　2　试样的AU测试

　　2.1　试验装置

　　试验装置如图2所示。同一批次的P-51型压电陶瓷传感器应用于本试验中,作为发射和接收换能器,替代了一般试验中的商用声发射超声换能器。传感器中心频率为1MHz。传感器均贴于板条的同一表面,使用双组分环氧胶。发射传感器居中,应用的是逆压电效应。两接收传感器对称布置于发射传感器两侧,其中一侧跨越冲击点损伤区,发射与接收传感器的间距为145mm。激励源为具有3Ls上升时间的阶跃信号,峰值电压为15V。