Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, стр. 109-117

ВВЕДЕНИЕ

Каждое нарушение структурной связи в полимерном композитном материале (п.к.м.) сопровождается излучением импульсов акустической эмиссии (а.э.), отражающих энергетические и временные характеристики произошедшего разрушения. Поэтому, устанавливая соответствие между происходящими разрушениями в структуре композитного материала на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях и регистрируемыми при этом импульсами и их весовым содержанием, получаем возможность контролировать кинетику накопления повреждений в пакете п.к.м. на всех структурных уровнях в режиме нагружения изделия. Установление таких феноменологических зависимостей дает возможность проводить селекцию регистрируемых импульсов а.э., объединяя их в энергетические кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетических уровней, соответствующие микро-, мезо- и макромасштабным разрушениям в структуре композитного материала [1–3]. Контролируя в процессе нагружения изделия перераспределение весового содержания (W_i) импульсов а.э.-событий в энергетических кластерах, суммарный уровень которых составляет W_Н + W_С + W_В = 100%, получаем возможность отслеживать кинетику накопления повреждений на разных структурных уровнях, а следовательно, и остаточную прочность, сопоставляя текущие значения параметров W_i с пороговыми [W_i], регистрируемыми при разрушении изделия [4].

Согласно принятой в механике разрушения твердых тел концепции Гриффитса, движущей силой роста трещины является освобождаемая упругая энергия, идущая на создание новой поверхности. Следовательно, чем больше масштаб происшедшего разрушения, тем выше уровень освобождаемой энергии и соответственно значений энергетических параметров регистрируемых импульсов.

Для селекции регистрируемых импульсов на энергетические кластеры, соответствующие поверхностям разрушений (Ω) на микро-, мезо- и макроуровне в пакете п.к.м., использован параметр относительной энергии Е_и, вычисляемый в децибел-микроэлектронвольтах по формуле Е_и = = 20lg(E/E₀) [5, 6], который при E₀ = 10⁻⁶ эВ равен Е_и = 16 ⋅ 10⁻²⁶ Дж.

С целью определения границ энергетических кластеров Н, С, В были проведены испытания на разрушение компонентов структуры пакета п.к.м., в том числе армирующих волокон и образцов однонаправленного ламината. Результаты применения а.э. при испытаниях на разрыв и сжатие образцов композитных материалов с целью мониторинга кинетики накопления повреждений на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях изложены в публикациях [1–3]. В настоящей работе рассмотрены эксперименты и представлены результаты испытаний по растяжению армирующих волокон композитных материалов до разрушения. Полученные результаты были использованы для определения границ кластеров нижнего, среднего и верхнего энергетических уровней, соответствующих микро-, мезо- и макромасштабным разрушениям в структуре пакета п.к.м.

ИСПЫТАНИЯ АРМИРУЮЩИХ ВОЛОКОН П.К.М. НА РАЗРЫВ

Как известно [5–9], уровень энергии, регистрируемой приемными преобразователями акустической эмиссии (п.а.э.), зависит от типа применяемых п.а.э. (резонансные, полосовые, широкополосные), их чувствительности, параметров канала распространения импульса (в частности, расстояния до источника а.э. и уровня затухания амплитуды в материале изделия, определяемого диссипативными свойствами среды), настроек измерительного канала аппаратуры, в том числе порога дискриминации сигналов (u_th) и полосы пропускания. При проведении а.э.-диагностики композитных многослойных изделий с высокой анизотропией акустических свойств и, как следствие, интенсивным затуханием импульсов с целью обеспечения надежной локации источников а.э. базовый размер (В) локационной решетки устанавливают не более 250 мм. Причем в качестве п.а.э. используют резонансные преобразователи высокой чувствительности, такие как R15α-SMA (фирмы Mistras, США), а диагностику проводят при уровне порога u_th = 30–42 дБмкВ в полосе пропускания Δf = 100–300 кГц [4, 10].

В рассматриваемых экспериментах на разрыв испытывались как одиночные волокна диаметром 6–16 мкм, так и их скрутки в виде нитей и жгутов толщиной от 15 до 150 мкм, включающих от 3 до 320 волокон [11–13]. В табл. 1 приведены основные характеристики испытанных одиночных волокон, в том числе их диаметр ϕ, модуль упругости при разрыве Е, предел прочности σ_B и относительное удлинение ε_B.

Для построения графика изменения уровня относительной энергии Е_и импульсов а.э. в зависимости от поверхности разрушения Ω при испытаниях на разрыв армирующие волокна выбирали с близкими прочностными характеристиками, так чтобы энергия сигналов а.э., регистрируемых при их разрыве, зависела в основном от площади поперечного сечения. Видеосъемка разрыва элементарных волокон, нитей и жгутов осуществлялась высокоскоростной камерой “Видеоспринт” (ООО “УВН технологии”), синхронно с которой для регистрации импульсов а.э.-событий использовались системы акустической эмиссии A-line32D (ООО “Интерюнис-ИТ”), PCI-2 (“Mistras”, США), AMSY-4 (“Vallen”, ФРГ). Регистрация источников а.э.-событий осуществлялась резонансными R15α-SMA и широкополосными UT-1000 преобразователями фирмы “Mistras” (США). Для регистрации а.э.-событий в низкочастотном диапазоне использовались полосовые преобразователи SNK-06 с резонансной частотой 60 кГц, выпускаемые ООО “Стратегия НК” (РФ), и интегральные преобразователи R6I-AST с резонансной частотой 55 кГц фирмы “Mistras”. Для усиления регистрируемых сигналов указанными п.а.э. использовались соответственно предусилители ПАЭФ-014 производства ООО “Интерюнис-ИТ” и 2-4-6-AST фирмы “Mistras”.

Испытания по разрыву армированных волокон, их нитей и жгутов выполнялись на установке Instron 34 TM-50 (США) в автоматическом режиме нагружения со скоростью 1 мм/мин. На рис. 1 показан жгут углеволокна в захватах нагружающего стенда.

Рис. 1.

Испытание на разрыв жгута углеволокна диаметром 140 мкм на установке Instron 34 TM-50. 1 – жгут; 2 – пластинки из оргстекла; 3, 4 – верхний и нижний пневмозахваты; 5 – преобразователи R15α-SMA, 6 – камера “Видеоспринт”.

При испытаниях образцы волокон 1 длиной 300 мм помещались между пластинами из оргстекла 2, к одному из концов которых с наружной поверхности с применением изоленты крепились п.а.э. 5. Другой конец пластин зажимался в пневмозахватах 3 и 4 испытательной машины. Расстояние между п.а.э. составляло 200–220 мм. На рис. 2 приведены результаты а.э.-диагностики, зарегистрированные преобразователями R15α-SMA при разрыве углеволокна УКМ-М диаметром 6 мкм.

Рис. 2.

Результаты а.э.-диагностики волокна УКН-М при испытаниях на разрыв на установке Instron 34 TM-50: а – локационная амплитуда источника а.э.; б – зависимость энергии импульсов а.э. от времени с наложенной кривой нагружения P.

Как следует из рис. 2б, при повышении уровня растягивающего усилия от 0.15 до 0.17 Н в период нелинейного деформирования волокна до момента его разрыва, произошедшего на 125 с испытания, локации источников а.э. не отмечались. В момент разрыва углеволокна было зарегистрировано одно а.э.-событие на расстоянии 146 мм от п.а.э. № 1. Место разрыва было смещено относительно центра волокна на 46 мм в сторону п.а.э. № 3. При этом максимальная амплитуда импульсов, вычисляемая в децибел-микровольтах по формуле: u_m = 20 lg(u/u₀), при u₀ = 1 мкВ достигала u_m = 48 дБмкВ, а относительная энергия импульсов составляла 78 дБмкэВ. На рис. 3 представлены форма и спектр сигнала а.э., зарегистрированного п.а.э. № 3 в момент разрыва углеволокна диаметром 6 мкм.

Рис. 3.

Форма (а) и спектр (б) импульса а.э., зарегистрированного преобразователем R15α-SMA в момент разрыва волокна УКН-М диаметром 6 мкм.

На рис. 4 показан кадр разрыва одиночного углеволокна УКМ-М диаметром 6 мкм, зарегистрированный с применением высокоскоростной камеры “Видеоспринт” при скорости съемки 1000 кадров/с.

Рис. 4.

Кадр разрыва одиночного углеволокна УКН-М диаметром 6 мкм, зарегистрированный с применением высокоскоростной камеры “Видеоспринт” при скорости съемки 1000 кадров/с.

Следует отметить, что одиночные волокна диаметром меньше 10 мкм зрительно сложно различимы, даже в направленном свете, а их испытание на разрыв с видеосъемкой и синхронной а.э.-диагностикой представляет собой непростую техническую задачу, которая была решена авторами данной работы.

На рис. 5 показаны результаты диагностики а.э.-событий, зарегистрированных локационной группой (п.а.э. № 1 и № 2) в процессе непрерывного деформирования нити волокон Кевлар-49 толщиной 60 мкм до момента ее разрыва, произошедшего на 1344 с испытания при величине растягивающей нагрузки Р = 14.4 Н.

Рис. 5.

Результаты а.э.-диагностики нити Кевлар-49 толщиной 60 мкм, зарегистрированные на 1344 с испытания на разрыв: а – линейная локация источников а.э.; б – количество локационных импульсов в зависимости от времени с наложенной кривой нагружения P; в – энергия импульсов а.э. в зависимости от времени с наложенной кривой нагружения P; г – амплитуда локационных импульсов в зависимости от времени с наложенной кривой нагружения P.

Как следует из графика на рис. 5а, накопление а.э.-событий наиболее интенсивно происходило на расстоянии 100 мм от п.а.э. № 1, где на 1344 с нагружения произошел разрыв нити Кевлар-49, зажатой в пластинах из оргстекла при расстоянии 220 мм между преобразователями а.э. Наблюдаемый разброс мест индикаций а.э.-событий свидетельствует о том, что по мере растяжения нити регистрировалось разрушение отдельных волокон в интервале ΔХ = ±25 мм относительно места предстоящего разрыва. Всего в процессе испытания волокна на разрыв было зарегистрировано 120 а.э.-событий. Причем, как видно из графика на рис. 5б, половина из них была зарегистрирована в течение последних 50 с. Согласно рис. 5в и 5г, импульсы максимальной амплитуды и энергии, достигающих соответственно u_m = 90–100 дБмкВ и Е_и = 130–138 дБмкэВ, вызванные массовым разрывом волокон, регистрировались при повышении нагрузки свыше 10 Н в течение 1050–1344 с нагружения. На рис. 6 показаны форма и спектр сигнала а.э., зарегистрированного п.а.э. № 1 в момент разрыва нити Кевлар-49.

Рис. 6.

Форма (а) и спектр (б) импульса а.э., зарегистрированного преобразователем R15α-SMA в момент разрыва образца нити Кевлар-49 диаметром 60 мкм.

На рис. 7 показан кадр разрыва нити Кевлар-49 диаметром 60 мкм, зарегистрированный с применением высокоскоростной камеры “Видеоспринт” при скорости съемки 1000 кадров/c.

Рис. 7.

Кадр разрыва нити Кевлар-49 диаметром 60 мкм, зарегистрированный с применением высокоскоростной камеры “Видеоспринт” при скорости съемки 1000 кадров/с.

На основании результатов испытаний образцов армирующих волокон и нитей на разрыв, а также их статистической обработки на рис. 8 построены графики логарифмических зависимостей изменения максимальной энергии Е_и регистрируемых импульсов и уровня ее разброса η в интервале ±2S (среднего квадратичного отклонения) от площади поперечного сечения Ω испытанных образцов (рис. 8).

Рис. 8.

Изменение максимальной энергии регистрируемых импульсов Е_и и уровня ее разброса η в интервале ±2S в зависимости от площади поперечного сечения Ω испытанных волокон и нитей.

Как следует из рис. 8, при увеличении толщины волокон и нитей от 5 до 80 мкм, а их сечений от 20 до 5024 мкм² максимальная энергия регистрируемых импульсов а.э. возрастала от 64 до 144 дБмкэВ. При этом уровень разброса η регистрируемых параметров, подсчитанный по результатам статистической обработки выборок испытаний в интервале ±2S, снижался с 19 до 1%, т.е. был достаточно низким, что свидетельствует о достоверности полученных результатов.

ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО ЛАМИНАТА НА РАЗРЫВ

В ходе испытания на разрыв образцов однонаправленного ламината [1, 2] видеосъемка микроразрушений в структуре пакета п.к.м. осуществлялась синхронно с регистрацией импульсов а.э. в процессе повышения нагрузки. На рис. 9–11 приведены кадры видеосъемки фрагментов типичных повреждений структуры однонаправленного ламината на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях, фиксируемые на характерных стадиях τ₀–τ₂ деформирования пакета п.к.м., размеры поверхности разрушений Ω_i, а также формы и параметры синхронно регистрируемых при этом импульсов а.э.

Рис. 9.

Слева − типичные микроповреждения на стадии τ₀ в виде отслаивания связующего вещества на границе скрепления с армирующими волокнами (1) и образования микротрещин (2) с поверхностью разрушения Ω_Н < 100 мкм²; справа − синхронно регистрируемые формы импульсов а.э.

Рис. 10.

Слева − типичные мезоповреждения на стадии τ₁ в виде выдергивания из связующего армирующих волокон (1), образования трещин различной направленности в матрицах слоев (2), разрыва волокон (3) с поверхностью разрушения Ω_С = 100−1000 мкм²; справа − синхронно регистрируемые формы соответствующих импульсов а.э. (1−3).

Рис. 11.

Слева − типичные макроповреждения на стадии τ₂ в виде расслаивания пакета ламината (1), образования магистральных трещин (2) и разрыва слоев (3) с поверхностью разрушения Ω_В > 1000 мкм²; справа − синхронно регистрируемые формы импульсов (1−3).

На начальной стадии τ₀ нагружения ламината растягивающей нагрузкой, когда соотношение деформаций  j = ε₁/ε_В не превышает 20%, т.е. материал находится в условиях упругого деформирования, преимущественно регистрируются сигналы, относящиеся к нижнему кластеру со следующими значениями параметров: относительная энергия Е_и = 60–88 дБмкэВ, максимальная амплитуда u_m = 30–55 дБмкВ, длительность t_и ≤ 500 мкс. Источники генерации таких импульсов, как показано на рис. 9, возникают в результате микроповреждений структурных связей в слоях пакета п.к.м. с поверхностью разрушения Ω_H < 100 мкм², вызванных локальными микроотслаиваниями связующего вещества от армирующих волокон при распрямлении последних, зарождением и развитием микротрещин в структуре матриц и на границах скрепления слоев.

При повышении соотношения j от 20 до 70% на стадии τ₁ активно регистрируются сигналы, относящиеся к среднему кластеру, которые имеют следующие значения параметров: относительная энергия Е_и = 90–120 дБмкэВ, максимальная амплитуда u_m = 60–85 дБмкВ, длительность t_и = = 500–1500 мкс. Источники генерации таких импульсов могут быть отнесены к мезоструктурным повреждениям в пакете п.к.м. с поверхностью разрушения Ω_С = 100–1000 мкм², возникающим при распространении трещин в матрицах слоев, разрыве армирующих волокон, их вырывании из связующего (см. рис. 10).

На стадии нагружения τ₂ при повышении соотношения j в диапазоне 70–100%, наряду с импульсами нижнего и среднего энергетических уровней, наблюдается заметный рост активности регистрации импульсов а.э., относящихся к верхнему кластеру с уровнем относительной энергии Е_и = 120–145 дБмкэВ, с максимальной амплитудой u_m = 85–110 дБмкВ и длительностью t_и ≥ 1500 мкс. Источники генерации таких импульсов могут быть отнесены к макроструктурным повреждениям с поверхностью разрушения Ω_В > 1000 мкм², возникающим в результате массового разрыва волокон, нарушения адгезии, деламинации и разрыва слоев (см. рис. 11).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

На основании экспериментальных данных, полученных при испытаниях на разрыв армирующих волокон и нитей композитных материалов (см. рис. 8), а также разрушений структурных связей однонаправленного ламината (см. рис. 9–11), в поле параметров относительной энергии и максимальной амплитуды (Е_и, u_m) сигналов а.э. были определены границы энергетических кластеров Н, С и В, соответствующие микро-, мезо- и макромасштабным разрушениям в пакете п.к.м., выделенные разным цветом на рис. 12.

Рис. 12.

Границы кластеров нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетических уровней локационных импульсов, установленные в поле параметров относительной энергии (Е_и) и амплитуды (u_m), соответствующие микро- (Ω_Н), мезо- (Ω_С) и макроразрушениям (Ω_В) в пакете п.к.м.

Построенная по экспериментальным данным зависимость Е_и = f(u_m) отображает соответствие между регистрируемой энергией и максимальной амплитудой сигнала а.э. в измеряемом диапазоне значений u_m = 30–110 дБмкВ локационных импульсов:

Штриховыми линиями и цветом на графике отмечены переходные зоны, в которых значения энергии и амплитуды регистрируемых импульсов могут быть отнесены к поверхностям разрушения смежных энергетических кластеров, зависящих от настроек а.э.-системы: в частности, если уровень порога будет >30 дБмкВ и (или) полоса пропускания цифровых фильтров урезана относительно Δf =30–500 кГц.

В табл. 2 приведены обобщенные результаты исследований, включающие величину поверхности разрушения структурных связей композитного материала на микро-, мезо-, макромасштабном уровнях, значения относительной энергии и амплитуды импульсов а.э., регистрируемых при испытаниях однонаправленного ламината [1, 2] и армирующих волокон на разрыв.

Приведенные на рис. 8 и 12, а также в табл. 2 экспериментальные данные были получены с применением резонансных преобразователей R15α-SMA и акустико-эмиссионной системы A-line32D при уровне порога дискриминации u_th = 30 дБмкВ и полосе пропускания цифровых фильтров Δf = = 30–500 кГц. При использовании п.а.э. других типов, в том числе UT-1000, R6I-AST, SNK-06 и систем а.э.-диагностики PCI-2, AMSY-4, применявшихся в ходе проводимых экспериментов по разрыву волокон и однонаправленного ламината, графики зависимостей Е_и = f(Ω) и Е_и = f(u_m) несколько отличались, хотя их общий тренд, представленный на рис. 8 и рис. 12, совпадал.

Наибольшее внимание, уделенное авторами экспериментальным исследованиям по разрыву армирующих волокон с применением преобразователей R15α-SMA и акустико-эмиссионной системы A-line32D, обусловлено тем, что именно эта аппаратура наиболее часто используется при проведении а.э.-диагностики конструкций в ходе стендовых испытаний изделий из п.к.м.

ВЫВОДЫ

1. В ходе проведенных экспериментальных исследований по разрыву однонаправленного ламината и армирующих волокон композитных материалов в поле параметров относительной энергии и максимальной амплитуды импульсов (Е_и, u_m) были установлены границы нижнего, среднего и верхнего энергетических кластеров, соответствующих микро-, мезо- и макромасштабным разрушениям в пакете п.к.м. (см. табл. 2 и рис. 12). К микромасштабным повреждениям были отнесены разрушения в структуре пакета п.к.м., поверхность которых не превышала 100 мкм², к мезомасштабным – составляла 100–1000 мкм², а к макромасштабным – превышала 1000 мкм².

2. Установлено соотношение (1) между уровнем относительной энергии и максимальной амплитудой импульсов а.э., регистрируемых с применением преобразователей R15α-SMA, согласно которому при уровне порога u_th = 30 дБмкВ и полосе Δf = 30–500 кГц к нижнему кластеру могут быть отнесены сигналы с уровнем максимальной амплитуды u_m = 30–59 дБмкВ и относительной энергией Е_и = 55–89 дБмкэВ, к среднему кластеру − с u_m = 60–85 дБмкВ и Е_и = 90–119 дБмкэВ, к верхнему кластеру − с u_m > 85 дБмкВ и Е_и ≥ 120 дБмкэВ.

3. Исходя из приведенной на рис. 8 зависимости Е_и = f(Ω), построенной по данным, полученным при разрыве армирующих волокон композитных материалов, минимальная поверхность разрушения, при которой с применением преобразователей R15α-SMA при уровне порога u_th = = 30 дБмкВ и полосе пропускания Δf = 30–500 кГц возможна регистрация импульсов а.э. с погрешностью порядка 20% в интервале ±2S, должна быть не менее 10 мкм², что соответствует толщине волокна порядка 3.6 мкм. Полученные значения достаточно хорошо коррелируют с результатами, приведенными в публикациях [14–16].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили разработать алгоритм и программное обеспечение для системы сбора и обработки а.э.-данных [1–4]. Это дало возможность в процессе а.э.-диагностики исследуемых изделий из композитных материалов осуществлять кластерную селекцию регистрируемых импульсов в поле параметров относительной энергии и максимальной амплитуды. Контроль в процессе нагружения изделия изменения весового содержания и активности импульсов а.э.-событий в энергетических кластерах позволяет осуществлять мониторинг кинетики накопления повреждений в структуре пакета п.к.м. на всех масштабных уровнях, а следовательно, проводить оценку остаточной прочности диагностируемой конструкции, сопоставляя текущие значения критериальных параметров W_i с пороговыми [W_i], регистрируемыми при разрушении материала.

Разработанные концепция, алгоритм и программное обеспечение мониторинга накопления повреждений на всех масштабных уровнях и оценка остаточной прочности изделий в режиме их нагружения были апробированы при испытаниях партий образцов и изделий из п.к.м. в условиях воздействия различного вида нагрузок [1–4, 17].