一种陶瓷基复合材料疲劳损伤的声发射检测方法

摘要

本发明公开了一种陶瓷基复合材料疲劳损伤的声发射检测方法，在声发射传感器具有检测功能的表面涂抹凡士林耦合剂；利用布基胶带将涂有耦合剂的声发射传感器固定到陶瓷基复合材料试件表面；利用导线连接声发射传感器与声发射检测仪；固定被测陶瓷基复合材料试件；使声发射检测仪开始检测；操纵疲劳加载装置，对陶瓷基复合材料试件施加疲劳载荷，并保证试验过程无任何物体接触陶瓷基复合材料试件；根据陶瓷基复合材料的疲劳失效判据或预定时间，停止疲劳加载；停止声发射检测；导出声发射检测仪获取的试件疲劳过程声学信号参数。本方法可实现陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测。本发明所提出的检测方法具有精度高、成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料声发射检测领域，尤其涉及条件下陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测方法。

背景技术

陶瓷基复合材料具有耐高温、抗腐蚀、密度小、比强度高、比刚度高的优点，被广泛用作航空航天飞行器结构材料、刹车盘材料。而声发射检测技术具有可对材料进行实时、连续监测的优点。陶瓷基复合材料在疲劳载荷作用下会产生疲劳损伤，主要损伤模式包括基体开裂、纤维/基体界面滑移、纤维断裂、纤维束断裂等。且不同损伤模式具有不同的声学信号特征。所以，通过处理声发射检测获取的声学信号，可辅助分析复合材料内部的损伤模式。因此，建立一种针对条件下陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测方法具有重要的工程实际意义。

声发射检测过程中，声发射传感器需实时获取陶瓷基复合材料疲劳试件的声信号。若声发射传感器与被检测试件之间存在空气，将很大程度上影响声发射信号的检测精度。因此，使声发射检测仪高精度、低成本地获取疲劳试件声学信号也是至关重要的。

发明内容

本发明目的在于针对条件下承受疲劳载荷的陶瓷基复合材料试件，提出一种陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测方法。该方法可实现陶瓷基复合材料在疲劳试验机上承受疲劳载荷的同时，利用声发射检测仪实时的采集陶瓷基复合材料的声发射信号参数。本方法利用凡士林作为声发射传感器与被测陶瓷基复合材料试件间接接触的耦合剂。由于凡士林耦合剂与布基胶带的成本均相对较低，因此利用本方法实现陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测，其经济成本较低。本发明的适用温度为不高于50℃。如需对更高温度的被测对象进行声发射检测，则需使用耐高温的声发射传感器与粘接剂(通过粘接实现声发射传感器与被测试件之间的固定)。

本发明采用的技术方案为陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测方法，本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：将凡士林耦合剂涂抹于声发射传感器具有检测功能一侧的表面；

步骤(2)：利用布基胶带，将涂有凡士林耦合剂的声发射传感器固定到陶瓷基复合材料试件表面。应保证疲劳试验过程中，声发射传感器除了通过凡士林耦合剂与陶瓷基复合材料间接接触外，声发射传感器不会与其它物体产生接触或碰撞；

步骤(3)：利用导线连接声发射传感器与声发射检测仪；

步骤(4)：设置声发射检测仪的检测下限阀值介于35dB～45dB，以有效过滤掉与陶瓷基复合材料损伤无关的噪声信号；

步骤(5)：设定峰值定义时间为40～50μs，设定撞击定义时间为150～200μs，设定撞击闭锁时间为100μs，以保证所采集声发射信号的准确性；

步骤(6)：固定被测陶瓷基复合材料试件；

步骤(7)：操纵声发射检测仪，使声发射检测仪开始声发射检测，获取实时的声发射信号敲击数、能量、幅值、频率等参数的波形信息；

步骤(8)：使铅笔芯与被测试件表面接触，并对铅笔试件压力，使铅笔芯断裂。并获取断铅瞬间的声发射幅值(幅值应不小于95dB)，以保证试件与声发射传感器之间耦合良好。若断铅瞬间的声发射幅值不小于95dB，则继续后续步骤。若断铅瞬间的声发射幅值小于95dB，则重复步骤(1)与步骤(2)，直到断铅瞬间的声发射幅值不小于95dB，再进行后续步骤；

步骤(9)：操纵疲劳加载装置，对陶瓷基复合材料试件施加疲劳载荷，并保证试验过程无任何物体敲击陶瓷基复合材料试件；

步骤(10)：根据陶瓷基复合材料的疲劳失效判据或预定时间，停止疲劳加载；

步骤(11)：停止声发射检测；

步骤(12)：导出声发射检测仪获取的陶瓷基复合材料试件疲劳过程的声学信号参数。

附图说明

图1为本发明的陶瓷基复合材料承受疲劳载荷的同时，进行声发射检测的示意图；

图2为利用布基胶带将涂抹有凡士林耦合剂的声发射传感器固定于针刺碳/碳化硅复合材料试件表面的示意图；

图3为固定于疲劳试验机夹具上的针刺碳/碳化硅复合材料试件，图3中导线的A端需与声发射检测仪连接。疲劳试验机的夹具夹紧试件后，试验过程中夹头对陶瓷基复合材料试件施加疲劳载荷；

图4为针刺碳纤维/碳化硅基体复合材料疲劳损伤过程采集到的声发射敲击数随时间的变化曲线；

图5为针刺碳纤维/碳化硅基体复合材料疲劳损伤过程采集到的声发射能量随时间的变化曲线；

图6为针刺碳纤维/碳化硅基体复合材料疲劳损伤过程采集到的声发射幅值随时间的变化曲线。

具体实施方式

结合附图说明本发明。

通过陶瓷基复合材料在承受恒幅疲劳载荷的同时，进行实时声发射检测，对本发明作进一步说明。试验所用陶瓷基复合材料为针刺碳/碳化硅复合材料，复合材料承受最大应力为103MPa的循环疲劳载荷，应力比(即最小疲劳应力与最大疲劳应力的比值)为0，载荷波形为正弦波，载荷频率为2Hz。

步骤(1)：凡士林耦合剂涂抹于声发射传感器具有检测功能一侧的表面；

步骤(2)：利用布基胶带，将涂有凡士林耦合剂的声发射传感器固定到陶瓷基复合材料试件表面(如图2所示)。疲劳试验过程中，声发射传感器除了通过凡士林耦合剂与陶瓷基复合材料间接接触外，声发射传感器没有与其它物体产生接触或碰撞；

步骤(3)：利用导线连接声发射传感器与声发射检测仪；

步骤(4)：设置声发射检测仪的检测下限阀值为45dB，以有效过滤掉与陶瓷基复合材料损伤无关的噪声信号；

步骤(5)：设定峰值定义时间为50μs，设定撞击定义时间为200μs，设定撞击闭锁时间为300μs，以保证所采集声发射信号的准确性；

步骤(6)：操纵疲劳试验机，使疲劳试验机的夹具夹紧陶瓷基复合材料试件(如图3所示)，以固定试件；

步骤(7)：操纵声发射检测仪，使声发射检测仪开始声发射检测，获取实时的声发射信号敲击数、能量、幅值的波形信息；

步骤(7)：操纵疲劳试验机，对陶瓷基复合材料试件施加循环疲劳载荷并保证试验过程无任何物体敲击陶瓷基复合材料试件；

步骤(8)：使铅笔芯与被测试件表面接触，并对铅笔试件压力，使铅笔芯断裂。并获取断铅瞬间的声发射幅值(幅值应不小于95dB)，以保证试件与声发射传感器之间耦合良好。若断铅瞬间的声发射幅值不小于95dB，则继续后续步骤。若断铅瞬间的声发射幅值小于95dB，则重复步骤(1)与步骤(2)，直到断铅瞬间的声发射幅值不小于95dB，再进行后续步骤；

步骤(9)：操纵疲劳加载装置，对陶瓷基复合材料试件施加疲劳载荷，并保证试验过程无任何物体敲击陶瓷基复合材料试件；

步骤(10)：陶瓷基复合材料疲劳断裂后，停止疲劳加载；

步骤(11)：停止声发射检测；

步骤(12)：导出声发射检测仪获取的陶瓷基复合材料试件疲劳过程的声学信号参数，包括声发射过程的敲击数(如图4所示)、能量(如图5所示)、幅值(如图6所示)。

本发明提供了一种陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测方法，涉及复合材料声发射检测领域，该方法步骤为：(1)将凡士林耦合剂涂抹于声发射传感器具有检测功能一侧的表面；(2)利用布基胶带，将涂有凡士林耦合剂的声发射传感器固定到陶瓷基复合材料试件表面；(3)利用导线连接声发射传感器与声发射检测仪；(4)设置声发射检测仪的检测下限阀值介于35dB～45dB，以有效过滤掉与陶瓷基复合材料损伤无关的噪声信号；(5)设定峰值定义时间为40～50μs，设定撞击定义时间为150～200μs，设定撞击闭锁时间为100μs；(6)固定被测陶瓷基复合材料试件；(7)操纵声发射检测仪，使声发射检测仪开始声发射检测，获取实时的声发射信号敲击数、能量、幅值、频率等参数的波形信息；(8)使铅笔芯与被测试件表面接触，并对铅笔试件压力，使铅笔芯断裂。并获取断铅瞬间的声发射幅值(幅值应不小于95dB)，以保证试件与声发射传感器之间耦合良好；(9)操纵疲劳加载装置，对陶瓷基复合材料试件施加疲劳载荷，并保证试验过程无任何物体敲击陶瓷基复合材料试件；(10)根据陶瓷基复合材料的疲劳失效判据或预定时间，停止疲劳加载；(11)停止声发射检测；(12)导出声发射检测仪获取的陶瓷基复合材料试件疲劳过程的声学信号参数。本发明能够实现在陶瓷基复合材料承受疲劳载荷的同时，进行陶瓷基复合材料疲劳损伤所产生的声发射信号检测。并获取了陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的敲击数、能量、幅值参数信息。因此，本发明所提供的方法可实现陶瓷基复合材料疲劳损伤过程的声发射检测功能。