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從無損檢測到智能CFRP復合材料的健康監測

作者:硬度計服務商im電競體育
發布時間:2020-12-29

    基于碳纖維增強塑料并帶有嵌入式PZT傳感器和執行器的智能材料有望成為減振和降噪的首選復合材料。全面的非破壞性表征和完整的健康監控有助于優化結構及其制造,并且是確保智能組件在其使用壽命內的性能和可用性的必要前提。本文的第一部分介紹了高分辨率的無損成像方法,包括微焦點X射線,超聲和渦流。這些方法用于表征非最佳制造和外部負載造成的損壞。第二部分致力于使用有源壓電陶瓷作為聲場,電磁場和熱場的發射器的最新開發的成像技術。第三部分著重于通過阻抗譜使用與減振相同的壓電陶瓷進行健康監測。對帶狀樣品的機電有限元建模和實驗研究表明,機械性能和電阻抗之間有著緊密的聯系。

介紹

    圖1顯示了德國航空航天中心DLR(1)制造的材料系統。陶瓷板嵌入在不導電材料的薄層(聚酯纖維墊)之間以實現電絕緣。為了避免由導電CFRP層引起的壓電陶瓷電極之間的短路,這種絕緣是必要的。活性復合板的一部分是預浸料制造的(圖1b),另一部分是采用DP-RTM技術制造的(差壓-樹脂傳遞模塑,圖1c),可確保結構的極高品質和可重復性。在此,纖維材料以干燥狀態布置,這有利于壓電陶瓷板和電線的定位。


     一種) b) C)
    圖1:智能材料系統,a)堆疊順序,b)預浸料層壓板的顯微圖,c)DP-RTM材料的顯微圖。

    陶瓷貼片的機械性能和熱性能與基質之間的顯著差異要求采用先進的制造技術。主要的挑戰是基于先進的非破壞性診斷方法(2)來創建合適的損傷耐受性概念。除了在制造后和檢查中斷期間擴展到常規的非破壞性評估(NDE)之外,還可以以自診斷方式使用智能材料來檢測早期損壞階段。這種方法導致更智能的NDE程序。它的成功應用需要對損壞的性質,大小和位置以及廣泛的數據采集和處理有基本的了解(3)。實時健康監測技術應減少維護成本,并提供許多獨特的機會來評估結構完整性(4)。

    待評估的性能范圍包括復合材料的內部結構(纖維取向,層順序,傳感器和執行器位置,局部纖維或環氧濃度),平行于表面取向的平面缺陷(分層,陶瓷脫粘),垂直取向的缺陷(基質或貼劑的裂紋)和體積缺陷(孔,空隙,夾雜物)。

從NDE到健康監控的步驟

    圖2從信號生成的角度介紹了NDE方法的三個階段。在第一階段(圖2a),發射器-接收器探針掃描對象。該對象可以是被動的也可以是主動的。那是經典的NDE方法。在第二階段,內部執行器用作測試信號的發送器(圖2b)。外部掃描傳感器(或傳感器陣列)接收表征發送器(執行器)以及通道(結構)的信號。當然,這個原理可以顛倒。這兩個階段均創建圖片作為檢查結果。最后,第三階段避免使用外部傳感器或變送器。在此,內部傳感器和執行器用作發送器和接收器(圖2c)。為了獲得有關結構特性的局部分布的信息,可以將傳遞功能切換到各種執行器。不幸的是,沒有圖片可以指望,找出這種方法的機會和局限性是當前的調查問題。


     圖2:具有外部發射器和外部接收器的經典NDE。b。有源NDE,帶有內部發送器和外部接收器。C。使用內部發送器和內部接收器進行健康監控。

高分辨率成像NDE方法

    作為第1階段的方法,已經應用了X射線檢查(X),超聲波(US)和渦流(EC)。放射線檢查能夠研究層壓板以及壓電陶瓷的表面和內部損傷。數字成像以差分模式用于檢測壓電陶瓷中的裂紋。超聲波是基于彈性機械波在內部邊界的反射和傳輸行為(5)。縱向波的垂直入射對應于純縱向波模式的存在,并允許檢測大多數結構缺陷。為了測試智能CFRP結構,必須牢記材料各向異性,異質性和分層結構的問題(6)。

    渦流法使用材料的各向異性電導率。沿著碳纖維發現的導電性比橫跨纖維好。此外,壓電陶瓷貼片上還涂有薄薄的銅-鎳層以進行電接觸。該層能夠攜帶渦流。在貼片破裂的情況下,涂層也會破裂,從而中斷電流路徑。這些方法的性能在圖3中的層壓板中開裂的致動器上得到了證明。在將貼片嵌入層壓板之前先將其打碎。


     圖3:層壓板上破裂的PZT貼片的NDE圖像。

    渦流圖像(EC)反映了執行器和CFRP層的金屬涂層。由于報告的樣品中的金屬層沒有完全覆蓋陶瓷板,因此右側部分的裂紋區域仍然未被發現。超聲圖像(美國)顯示了用于固定損壞的執行器的膠帶在壓電陶瓷貼片邊緣附近的矩形區域。此外,裂縫網絡變得部分可見。X射線圖像(X)中清晰的裂紋線是由使用微分技術和特殊孔徑以限制輻射到PZT區域的過程產生的。

    接觸時存在缺陷
    非常敏感的一點是執行器的接觸,因為它也可能在高壓釜固化過程中損壞執行器。一種接觸是絕緣絨布中的專用窗口,如圖4a所示。CFRP導電層是某些執行器的公共電極。另一個電極與由幾千根細絲組成的纖維粗紗接觸。接觸窗在固化時會使壓電陶瓷彎曲甚至破裂。US-C掃描顯示由于縱向波傳播時間減少而導致的變形區域。變形程度可以在US-B掃描中測量,精度高達20 μm。此外,US-C掃描顯示出一些裂紋分支和相接觸的碳纖維粗紗。EC圖像清楚地顯示了裂紋,并指出了由于致動器和探頭之間距離的減小而導致的變形為暗區。X射線圖像會引起裂紋,但無法檢測到變形。

    防止高壓釜固化期間的剪切應力的另一種接觸方式是切成條狀的銅網。壓電陶瓷上方和下方的網格覆蓋整個貼片區域。圖4b顯示了一些細節。然而,在開始使用這項技術的初期,對于普通的X射線設備來說,裂紋是看不見的。只有微焦點系統和銅網的金屬絲一起產生裂縫。


     圖4:由于接觸而導致的缺陷的NDI結果。

    電路損壞
    在多執行器樣品的功能測試期間,一個樣品無法按預期控制。當某些PZT補丁應單獨起作用時,它們會一起起作用。另一個補丁根本不起作用。


     圖5:使用a)和b)超聲波以及c)渦流技術檢測電擊穿。 圖6:堆疊中的纖維受到污染。

    陶瓷貼片之一(灰色矩形)的US掃描(圖5a)顯示出一個明亮的圓形區域,該圓形區域是由貼片彎曲到接觸窗中引起的。此外,可以觀察到貼片左右邊緣的黑點。另一個深度平面的美國C掃描(圖5b)顯示了從這些點開始的亮線。由于它們的特性,這些反射器被認為是無意將碳纖維粗紗拼接而成的。

    EC掃描(圖5c)可以識別壓電陶瓷貼片的邊緣以及接觸粗紗。另外,可以觀察到與美國結果相對應的線性物體。這些電導率異常證實了剪接碳纖維接近壓電陶瓷貼片的假設。塑性成像研究導致圖6中的重建,顯示了污染的纖維。

    當載流電流時,燈絲被燒毀,導致局部材料降解(圖5b中的黑點)。

    沖擊破壞
    沖擊破壞可以通過各種NDE方法進行可視化,從而對其復雜結構進行全面調查。該示例(圖7)顯示了由DP-RTM標本上的液滴重量引起的低速沖擊(僅0.5焦耳)的NDE圖像。視覺上看不到損壞。在壓電陶瓷的下部,由貼片兩側的兩個接觸粗紗引起裂痕。圓形區域是沖擊產生的。使用第5.1段中所述的主動US方法記錄US掃描。該方法的一個優點是抑制了覆蓋CFRP層。很明顯,環的內部和外部區域保持活動狀態。環形區域中信號的缺失是由于分層而中斷聲波到掃描換能器的傳輸所致。圖7中的微分X射線在壓電陶瓷貼片中產生了圓形裂紋。EC掃描被編織的CFPR墊的圖案覆蓋,還可以看到由于貼劑的金屬涂層損壞而產生的黑環。所有NDE圖像均確認受影響區域中心沒有明顯損壞。


     圖7:嵌入的壓電陶瓷貼片上0.5焦耳沖擊的NDE圖像。

主動無損技術

    有源超聲
    如圖8所示,有源超聲技術使用嵌入式壓電陶瓷傳輸超聲波。短的電脈沖會產生一個寬頻帶。傳統的掃描探針接收來自結構的波并建立壓電陶瓷活動的空間分布的圖像。在高頻下,壓電陶瓷以及覆蓋的CFRP和絕緣層中的瑕疵變得可見。壓電陶瓷貼片的局部彎曲以及其中的裂縫等結構特征也可以檢測到。因此,該技術允許對結構進行非常全面的可視化。


     圖8:有源超聲設置和兩個頻率的結果。

    主動熱成像
    紅外熱像儀可視化主動壓電陶瓷及其布線產生的熱場。圖9顯示了導電粗紗中電阻加熱和壓電陶瓷貼片中振動加熱的影響。三個壓電陶瓷貼片的形狀和位置在50 Hz的頻率下清晰可見。隨著頻率的增加,壓電陶瓷的電容電阻減小,從而將能量轉換重新定位到電流引線。可見纖維粗紗以及明亮的接觸點。溫度是衡量材料降解潛在危險的一種方法。


     圖9:主動熱成像的原理和結果。

    主動電磁法
    對于主動電磁法,執行器由諧波電流驅動,產生可被外部傳感器檢測到的電磁場。此處,將商用渦流設備在2 MHz時的放大輸出電壓用于饋送壓電陶瓷,并使用差分EC探頭作為掃描傳感器。因此,通過觀察樣品中的電流分布,可以捕獲磁場的正常分量。圖10中的結果圖像顯示了執行器的當前粗紗,左邊緣和垂直裂縫。常規的X射線圖像證實了這一結果。


     圖10:主動電磁的原理和結果。

健康監測

    對于高度負責的應用,例如在航空領域,需要對結構和功能完整性進行永久而完整的監督。智能CFRP結構為此目的提供了不同的方法(圖11)。壓電陶瓷貼片可以起作用

    • 作為聲發射傳感器,用于檢測發展中的損害,

    • 作為超聲波的發射器和接收器

    • LAMB波或基于結構耦合的阻抗譜換能器?機械和電氣性能(7)。


     圖11:健康監測的不同方法。

    電阻抗光譜
    由于所檢查的智能結構中機械和電氣特性的耦合,因此應該有可能從電阻抗的測量得出結論,以找出缺陷的存在。與非破壞性評估一樣,已證明的研究范圍從低kHz頻率到大約MHz的高頻不等。圖12顯示了實驗設置的結果,使用網絡分析儀進行電氣控制和測量,并使用一條CFRP材料作為樣本。阻抗-頻率圖顯示了集成壓電陶瓷的寬帶特性。由于樣品的振動而在較低的kHz范圍內產生的共振峰變得可見。這些峰值顯然與長度或寬度方向上的特殊形式的振動模式相關。進一步的實驗表明,由沖擊損傷引起的阻抗峰值的變化。圖12中的小鑲嵌圖片擴大了被譴責的頻率范圍,從而引起了共振峰的形狀細節。1焦耳沖擊后,峰逸出(虛線)。


     圖12:具有某些本征模式共振的阻抗譜圖。

    LAMB波技術
    集成的壓電陶瓷貼片能夠產生并接收在板狀結構平面內傳播的超聲波LAMB波。取決于厚度與波長之比,存在許多不同的波模式,例如,它們的形狀和色散行為。實際上,至少兩種模式以不同的頻率出現。除了頻率和厚度以外,這些波的傳播特性還受CFRP結構的(各向異性)材料特性支配。

    對于在健康監控系統中的應用,有兩種方法很有希望:

    • 壓電陶瓷產生LAMB波,并通過分布式傳感器接收

    • 通過以下定位和評估(沖擊傳感器)感測由破壞事件(沖擊)產生的LAMB波。

    為了這些目的,進行了涉及生成,接收和傳播特性的基本實驗。結果表明,壓電陶瓷主要產生第一對稱和不對稱的LAMB波模式,以不對稱模式為主。壓電陶瓷貼片的邊緣被標識為源,因此完整的信號來自不同波的疊加。


     圖13:羔羊波的產生和可視化。

    為了確認LAMB波對缺陷的可檢測性,通過撞擊在CFRP材料中產生了分層,并通過外部換能器掃描了該區域的LAMB波場。在圖13中,由矩形壓電陶瓷貼片的邊緣發射的LAMB波的場分布變得可見,并且沖擊區域由較低的波幅標記。

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