基于声发射信号监测的FRCMCs-SiC复合材料加工损伤评价方法

本发明属于复合材料力学性能评价，涉及一种基于声发射信号监测的frcmcs-sic复合材料加工损伤评价方法。

背景技术：

1、连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(frcmcs-sic)是一种通过在sic陶瓷基体中加入连续纤维增强相进行外源性增韧，并采用适当的弱界面相进行优化，从而得到的韧性陶瓷材料。frcmcs-sic克服了金属材料的不耐高温和密度大，陶瓷材料的高脆性和可靠性差，碳材料的抗氧化性差等缺点，具有轻质、强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、损伤容限高等优异的综合性能。随着服役环境的日益严苛，对frcmcs-sic零件的已加工表面完整性的要求也越来越高，直接影响零部件的热-力学性能、可靠性和服役寿命。

2、文献1(用超声导波幅度谱方法评价复合材料板材疲劳损伤的数值研究[j].复合材料学报,2010,27(02):169-175.)通过超声导波幅度谱方法能够有效定征复合材料板材的初期疲劳损伤，但是不能完整评价复合材料板材疲劳损伤的全周期过程。文献2(碳纤维复合材料疲劳损伤的非线性超声评价方法[j].无损检测,2019,41(08):1-5.)通过非线性超声方法评价碳纤维复合材料的疲劳损伤，但需要到疲劳试样在疲劳寿命的50％左右时，通过较大的非线性系数作为材料疲劳损伤评价。

3、因此，超声波难以检测到复合材料中全程疲劳损伤以及复合材料的微小损伤，具有一定的局限性。

4、中国发明专利cn202010821919.2涉及一种结合力学测试、红外热成像和同步辐射ct(srct)，提出碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料疲劳损伤的宏细观试验方法。但该方法在frcmcs-sic复合材料疲劳损伤演化中的应用仍然非常有限，因为frcmcs-sic复合材料中的碳纤维和sic材料不具有相似的x射线吸收，因此不需要使用同步辐射ct(srct)分辨两者的区别，且同步辐射ct(srct)是一种世界范围内的稀缺资源，导致该方法的检测昂贵。

5、中国发明专利cn202110958494.4公开了一种陶瓷基复合材料疲劳损伤的声发射检测方法，通过在试件表面涂抹凡士林耦合剂获取疲劳过程声学信号参数，该发明虽然具有成本低的特点，但对于三维编织的陶瓷基复合材料内部的复杂破坏模式无法直观反映。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中对于连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料相关研究处于探索阶段，无法直观反映三维编织的陶瓷基复合材料内部的复杂损伤模式的问题，提供一种基于声发射信号监测的frcmcs-sic复合材料加工损伤评价方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、基于声发射信号监测的frcmcs-sic复合材料加工损伤评价方法，将两个声发射传感器分别贴合在试样的两端，对试样进行拉-拉疲劳试验，通过对实时采集到的声发射信号进行处理分析得到声发射信号能量，根据处理分析结果对试样的疲劳性能进行评价；

4、当声发射信号能量为5000mv·ms以上时，表明试样发生了基体断裂及部分界面脱粘；

5、当声发射信号能量为100mv·ms以下时，表明试样中脱粘的纤维和基体之间发生了滑移和摩擦；

6、当声发射信号能量介于100mv·ms和5000mv·ms之间，表明试样中脱粘的纤维和基体间的滑移和摩擦向基体断裂和部分界面脱粘转变。

7、结合电子显微镜观察疲劳-拉伸失效断口的宏观形貌可知，frcmcs-sic在疲劳-拉伸过程中的细观损伤行为同样为基体裂纹、界面脱粘和纤维断裂。结合拉伸应力时域曲线，试样在承载的第一个阶段，一方面基体断裂、界面脱粘和裂纹桥接等损伤会在材料的原始缺陷处发生，加工损伤会在一定程度上促进基体断裂和界面脱粘，使得试样损伤在第一阶段加剧，此时监测到的声发射信号能量为5000mv·ms以上。当基体裂纹基本饱和且界面基本脱粘后，试样会进入一个相对稳定期，主要依靠纤维与基体之间的滑移和摩擦来承受载荷，这一阶段在疲劳过程中表现显著，纤维逐渐失效，纤维断裂和纤维拔出成为主要的损伤形式，此时监测到的声发射信号能量为100mv·ms以下。

8、电子显微镜的观察方法为：frcmcs-sic复合材料经喷金处理后观测，同时需要等试验完全结束后进行。然而电子显微镜的观测是最终试样形貌，既不是一种无损伤的检测方式，又无法实时直观反映复合材料内部损伤的演变规律(强调一种演变，是个过程量)。

9、作为优选的技术方案：

10、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，声发射传感器为wsα型声发射传感器。

11、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，采用道康宁公司的hvg高真空润滑硅脂作为声发射传感器和试样之间的偶联剂，并使用bopp薄膜胶带将声发射传感器固定于试样上。

12、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，使用pac公司的pci-2声发射系统采集声发射信号，声发射信号采集频率为10mhz。设置峰值定义时间pdt为50μs，结束定义时间hdt为100μs，系统锁闭时间hlt为300μs，最大持续时间为10ms。每个传感器连接一个前置放大器，频率范围为100～3mhz，增益为40db。声发射采集阈值设置为40db，以过滤环境噪声，避免由于机器和摩擦造成的噪声影响数据采集。

13、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，拉-拉疲劳试验基于astmc1360-17标准进行。

14、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，拉-拉疲劳试验中的疲劳应力最大值是基于静拉伸试验确定的。

15、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，静拉伸试验基于astmc1275-18标准进行。

16、拉伸静力学性能评价：在施加拉伸载荷直至失效的整个过程中，都检测到有声发射信号，其能量分布在0～5000mv·ms范围，说明在整个拉伸过程中，试样持续性发生损伤，直至失效。

17、如上所述的基于声发射信号监测的加工损伤评价方法，静拉伸试验和拉-拉疲劳试验采用的测试装置是mts公司的mts809电液伺服材料试验机，针对荷载和位移的独立闭环控制，采用testariis全数字控制系统，该试验机可设置的动态频率范围为0.001～100hz，可施加的最大轴向测试载荷为±50kn。

18、静拉伸试验在mts809电液伺服材料试验机上进行。试验时，在装夹时调整拉伸试样位置使得试样的轴线垂直于水平面，并通过上下两端的液压楔形夹具夹住拉伸试样的铝合金片加强部位。静拉伸试验采用位移控制加载，拉伸速率设置为1mm/min。

19、拉-拉疲劳试验在mts809电液伺服材料试验机上进行。为了试验结束后分析数据，循环加载过程中实时记录载荷-位移数据，设置试验机数据记录频率为100hz。疲劳试验在常温常压下进行。参考frcmcs-sic航空发动机燃烧室火焰筒和涡轮外环在工作时的应力状况，设置疲劳应力最大值，该值小于静拉伸试验得到的最大拉伸应力，应力比设定为0.1，加载频率设定为10hz，加载模式为载荷控制模式，设置载荷-时间曲线为正弦曲线。

20、有益效果：

21、(1)本发明的基于声发射信号监测的frcmcs-sic复合材料加工损伤评价方法，能够直观反映具有三维编织的连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料内部的复杂损伤模式，所提出的检测方法具有精度高、成本低的优点；

22、(2)本发明的基于声发射信号监测的frcmcs-sic复合材料加工损伤评价方法，有助于深入理解frcmcs-sic复合材料加工表面完整性对力学性能的影响，并为frcmcs-sic复合材料高效低损伤加工策略选择提供科学依据。