声发射技术在复合材料发展中的应用
作者：陈积懋
一、声发射技术机理及特征
声发射(Acousticemission简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限ss而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。
在外部条件作用下，固体（材料或零部件）的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦为声发射。
通常意义上的声发射源，一般是指材料受力的作用所产生的各种变形和断裂机制，例如：金属材料中的裂缝扩展、位错运动、滑移带的形成、孪生变形、晶界滑移、夹杂物的分离与开裂；复合材料中的基体开裂、层间分离、纤维和基体间界面分离和纤维断裂等，这些无损检测的主要对象，都是重要的声发射源。
声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频。它的幅度动态范围亦很广，从微弱的位错运动直到强烈的地震波。然而，声发射作为无损检测与无损评价手段，则是采用高灵敏度传感器，在材料或构件受外力的作用，且又远在其达到破损以前，接收来自这些缺陷与损伤开始出现或扩展时所发射的声发射信号，通过对这些信号的分析、处理来检测、评估材料或构件缺陷、损伤等内部特征。从而，通过声发射检测，可以确定：
1.材料或构件何时出现损伤；
2.材料或构件出现损伤的部位；
3.材料或构件出现损伤的严重程度及其危害性，对构件作出结构完整性评价。
作为一种新的无损检测技术，声发射检测技术与常规无损检测技术：渗透、磁粉、涡流、射线、超声检测相比较具有两个基本性的特点：¬敏感于动态缺陷，而不是静态缺陷；即不像其他无损检测技术只是在缺陷出现后，事后静态检测时才能发现，而是在缺陷萌生和扩展过程中，即能实时发现。¬声发射波来自缺陷的本身而不是外部；从而可以得到有关缺陷的丰富的信息以及检测的高灵敏度与高分辨率。
以上两大特点导致该项技术具有了以下不同于常规无损检测技术的优点：
1)可获得关于缺陷的动态信息，并据以评价缺陷的实际危害程度，以及结构的整体性和预期使用寿命；
2)对大型构件，不需要移动传感器做繁杂的扫查操作，只要布置好足够数量的传感器，经一次加载或试验过程，即可大面积检测确定缺陷的位置和监视缺陷的活动情况，操作简便，省工、省时；
3)可提供随载荷、时间、温度等处施变量而变化的实时瞬态或连续信息，因而适用于过程监控，以及早期或临近破坏的预报；
4)对被检工件的接近要求不高，因而适用于其它无损检测方法难以或不能接近的，如高低温、核辐射、易燃、易爆和极毒等环境下的检测；
5)对构件的几何形状不敏感，适于检测其他方法所不能检测的形状复杂的构件；
6)几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射，适用范围广。
二、声发射技术在复合材料领域中的应用
复合材料是一种多相材料，由两种或多种性质不同的材料组成，其主要组分是增强材料和基体材料，基本的结构形式是层压件和缠绕件。
复合材料因高的比强度和比模量以及良好的抗疲劳性和成形工艺性，而在航空、航天、造船、建筑、桥梁等工业部门得到了大量的应用，并在压力容器、管道，以及某些关键部位代替金属材料。但是，纤维增强复合材料具有导电性差、热传导率低、声衰减高等特点，在机械和物理性能方面呈显著的各向异性，这使得它对无损检测的波传播所起的作用与金属材料迥异，因而，其无损检测也与金属材料显然不同。
复合材料结构由于制造工艺的特殊性，许多工艺参数的微小差异会导致其产生诸多缺陷，使产品质量呈现明显的离散性。这些缺陷严重地影响构件的机械性能、结构完整性和使用寿命。
复合材料结构缺陷的类型繁多，但大致可以分为两大类：
1)通常表现为损害构件的机械性能和物理性能的有：气孔、夹杂、分层、纤维断裂或不平直、纤维与基体的比值不正确、纤维和基体的结合状况不佳、基体疏柱、基体裂缝、基体固化状态不良等；
2)通常表现为损害构件的整体完整性的有：脱粘、横向断裂、龟裂、缺胶、胶层厚度不均匀、结构内部损伤等。
面对上述种类繁多的缺陷，迄今，还没有一种无损检测方法可以检测各种复合材料构件的所有缺陷。在实际应用中，往往需根据复合材料构件的形状、类型、使用要求，要求检测的缺陷类型、大小、位置、取向及检测设备检测能力等因素，选用几种不同的方法互相补充。
然而，我们对每一复合材料构件无损检测的目标是在于：检测它的结构的完整性、强度和承载能力，评估它的使用寿命和使用安全性。
由于复合材料构件不同于金属构件的特殊性，且对它的破坏机理还缺乏系统的了解，因而对它的主要缺陷类型仍是众说纷纭，还不能用一、两种主要类型的缺陷来决定其使用性能，评估预期寿命。例如，高性能的金属结构，相对来说，是用不包含所不希望存在的缺陷的材料制成的。在使用中，破损往往起源于裂缝开始扩展为可辩认的缺陷的时候，而且发生于裂缝继续扩展以后。所以，在大多数金属结构中，我们所查找的基本缺陷是裂逢，一旦用无损检测方法确定了有缺陷的结构，就可以利用断裂力学的基本概念，计算出使用条件下金属构件的预期寿命。
正如上文所述，复合材料至今尚不能以少数的几种类型缺陷确定为损伤起源的主要缺陷。
大量实验证明：有些具有明显宏观缺陷的架件，加载试验到破坏，其疲劳寿命不一定就短；相反，有些无明显宏观缺陷的构件，若隐含有常规无损检测难以检出的、基体微裂纹等缺陷，在实验中发现其所具有的疲劳寿命则远短于正常构件。
由于声发射对缺陷起始和扩展的特有的敏感性，以及其所具有动态检测强度和评估使用寿命的独特功能，从而近年来，复合材料无损检测与评价技术已经把重点转移到，利用声发射技术检测材料与构件的缺陷（包括微观缺陷）与损伤的萌生与扩展，并据以评估缺陷的危害程度，测定结构强度、整体性和预期使用寿命。对复合材料的发展而言，声发射技术不仅仅是内部缺陷和损伤的无损检测手段，且已成为材料性能（包括断裂性能和力学性能等）研究、强度检测与使用寿命评估的必不可少的方法。
声发射技术作为一种检测技术起步于50年代初的德国，60年代，该项技术在美国原子能和宇航技术中迅速兴起，并在玻璃钢固体发动机壳体的检测方面出现工业应用的首例。70年代，在日、欧及我国相继得到发展，但因当时的技术和经验所限，仅只获得有限的成功。80年代，声发射技术开始获得较为正确的评价，并获得迅速发展，已在金属和玻璃钢压力容器、储罐、管道等重要领域进入工业应用和标准化阶段。随着计算机技术和信号处理技术的迅猛发展，国内先进声发射设备研制公司在声发射技术软/硬件方面的一些重大技术突破，以及新的数字化声发射系统和相应的商业化实用软件包的推出，已能获得复合材料缺陷与损伤，在其萌生和发展中，甚为丰富的和极其活跃的信息，使声发射技术成为在复合材料等先进的、新型材料研究和生产中不可替代的动态无损检测技术。
声发射技术在这一领域的应用大致可分如下几个方面：
在复合材料性能研究方面的应用；
在复合材料结构完整性检测方面的应用；
在复合材料结构制造过程监测方面的应用。
三、在复合材料性能研究方面的应用
复合材料与传统的金属材料相比，在航空航天以及军用和民用领域得到越来越广泛应用的最重要因素是其强度高、重量轻、机械性能优越，而这些卓越性能则来自于复合材料中各构成成份本身的优越性能和合理搭配。对于复合材料的强度、韧性方面的研究，离不开实验手段，而声发射技术在这些实验研究中扮演极其重要角色。复合材料的损伤形式很复杂，大致可分纤维断裂，基体开裂、脱粘、分层等几种主要形式，每种损伤形式对复合材料的整体性能都有不同程度的影响和作用，所以对于复合材料性能的研究离不开对这些损伤形式的研究。实际上，由于复合材料本身的复杂性，使得关于复合材料破坏机理方面的研究一直处于探索阶段，许多问题还没有被人们所揭示。多年来人们采用了各种手段从事这些方面的研究，但这些手段都很困难且都有很大局限性。
大量研究表明，尽管复合材料的几种损伤形式都有各自不同的复杂性，但几乎都有一个共同特点，那就是这些损伤缺陷发生和发展时都有很明显的声发射特征，而且声发射手段对于这些损伤过程的分析都非常及时和有效，所以声发射技术是复合材料破坏机理研究及强度性能研究的最有效手段之一。在这方面，国内外学者们进行了大量研究实践，取得了许多可贵的成果。
表1为两种金属基复合材料在液压伺服恒位移拉伸载荷下各种失效过程所对应的应变值。
从表1和图1可看出各种失效应变都对应明显的AE计数率的突变，说明各种失效形式发生时，其AE计数率显示出明显的变化特征。
在复合材料的声发射特征中，振铃计数、幅度、持续时间、恒载声发射延续时间、Felicity比是区别复合材料构件各损伤阶段、损伤类型、力学特性的主要参数。
表2为碳/环氧复合材料各损伤阶段的声发射特性；
表2碳/环氧复合材料各损伤阶段的声发射特性
注：P1、P2、P3为声发射振铃计数—应变曲线的三个拐点
表3为该类材料各种损伤类型对应的声发射幅度和持续时间的特征。
表3碳/环氧复合材料各种损伤类型对应的声发射特征
国内学者通过对SiC纤维铝基复合材料声发射研究发现用AE技术能准确测定单纤维金属基复合材料中纤维断枝数和纤维断枝的平均长度，由此能测定SiC纤维的断裂强度和纤维与铝基体间的界面强度。
J.G.BAKVCKAS等人通过对钛基复合材料损伤过程的声发射研究，也揭示了几种主要的损伤形式发生时所对应的AE事件幅度的关系，见表4及图2。
表4损伤主要形式与AE事件幅度的对应关系
ThomasM.Ely等人对石墨环氧树脂复合材料纵向开裂与_________纤维断裂的声发射特征研究进一步发现纵向开裂(LongitudinalSplitting)对应的AE特征为低幅度、短持续时间、低计数和低能量；而高幅值、长持续时间、高计数及高能量的AE信号则来自于纤维断裂。
JYI-JIINLUO等通过陶瓷基复合材料纵向拉伸试验的深入研究进一步发现：
在应力水平超过应力应变关系的比例极限时，开始出现基体裂纹并产生对应AE信号；在比例极限与应变硬化阶段前的非线性阶段，AE计数与相应应变值呈非常明显的线性关系；在应变硬化开始点，基体裂纹及对应产生的AE信号达到饱和；在此后开始出现中等水平的AE信号及对应的纤维/基体脱粘现象；在刚度逐渐减弱时开始纤维断裂或拉出，此时AE信号以稳定的数率连续减少。
总之，AE技术在复合材料性能研究方面起了十分重要作用，也取得许多突破性的进展，但这方面的许多工作还处于探索之中。
四、在复合材料结构完整性检测方面的应用
由于复合材料强度高、重量轻的特点，近年来，被广泛用于压力容器、管道、飞机及航天器的某些部件上，声发射技术对这些受力结构的完整性检测和安全寿命评估提供了可靠方法。
对于复合材料结构的无损检测，其它常规无损检测方法，像超声、射线、涡流等手段对某些复杂缺陷或微小缺陷诸如基体微裂纹、纤维/基体脱粘及单束纤维裂纹等很难发现，且很难做到动态、实时监测，而只有声发射手段能动态、实时发现这些缺陷。现代声发射技术的全波形声发射技术不但能定性发现上述缺陷，而且通过多参数分析、相关分析等方法，尤其基于瞬态波形记录的FFT分析手段更能对上述缺陷进行定量识别。
声发射用于压力容器检测方面，对于金属压力容器，声发射手段已应用很广、也很成熟，有关这方面的检测规范及标准也已非常完美和可靠。对于复合材料压力容器的检测正是基于金属压力容器检测基础及复合材料AE研究基础上开展起来的。如前所述，由于复合材料在损伤过程中其AE特征非常明显，使用声发射对复合材料压力容器的检测非常有效，同时由于复合材料不同于金属材料，它本身是各向异性、非线性，以及几种破坏形式的复杂性、不连续性，其缺陷检测及安全评估方面又有很大的特殊性。
其二，作为现代处理技术的神经网络及模态识别技术应用到声发射研究，在传统的声发射研究中开辟了一个新领域，也给复杂条件下复杂结构的复合材料研究提供了新的可靠手段。由于复合材料损伤，不但声发射特征明显，而且声发射信号非常丰富和复杂。神经网络分析技术给解决这些复杂问题提供了新的手段。
其三，声发射技术与现代断裂力学、损伤力学的结合将给复合材料构件的损伤容限设计提供依据，而且将更有效地揭示复合材料的损伤破坏机理和寿命规律。
总之，声发射技术将是复合材料研究领域中不可多得的有生力量。