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从无损检测到智能CFRP复合材料的健康监测

作者:硬度计服务商沙巴电竞
发布时间:2020-12-29

    基于碳纤维增强塑料并带有嵌入式PZT传感器和执行器的智能材料有望成为减振和降噪的首选复合材料。全面的非破坏性表征和完整的健康监控有助于优化结构及其制造,并且是确保智能组件在其使用寿命内的性能和可用性的必要前提。本文的第一部分介绍了高分辨率的无损成像方法,包括微焦点X射线,超声和涡流。这些方法用于表征非最佳制造和外部负载造成的损坏。第二部分致力于使用有源压电陶瓷作为声场,电磁场和热场的发射器的最新开发的成像技术。第三部分着重于通过阻抗谱使用与减振相同的压电陶瓷进行健康监测。对带状样品的机电有限元建模和实验研究表明,机械性能和电阻抗之间有着紧密的联系。

介绍

    图1显示了德国航空航天中心DLR(1)制造的材料系统。陶瓷板嵌入在不导电材料的薄层(聚酯纤维垫)之间以实现电绝缘。为了避免由导电CFRP层引起的压电陶瓷电极之间的短路,这种绝缘是必要的。活性复合板的一部分是预浸料制造的(图1b),另一部分是采用DP-RTM技术制造的(差压-树脂传递模塑,图1c),可确保结构的极高品质和可重复性。在此,纤维材料以干燥状态布置,这有利于压电陶瓷板和电线的定位。


     一种) b) C)
    图1:智能材料系统,a)堆叠顺序,b)预浸料层压板的显微图,c)DP-RTM材料的显微图。

    陶瓷贴片的机械性能和热性能与基质之间的显着差异要求采用先进的制造技术。主要的挑战是基于先进的非破坏性诊断方法(2)来创建合适的损伤耐受性概念。除了在制造后和检查中断期间扩展到常规的非破坏性评估(NDE)之外,还可以以自诊断方式使用智能材料来检测早期损坏阶段。这种方法导致更智能的NDE程序。它的成功应用需要对损坏的性质,大小和位置以及广泛的数据采集和处理有基本的了解(3)。实时健康监测技术应减少维护成本,并提供许多独特的机会来评估结构完整性(4)。

    待评估的性能范围包括复合材料的内部结构(纤维取向,层顺序,传感器和执行器位置,局部纤维或环氧浓度),平行于表面取向的平面缺陷(分层,陶瓷脱粘),垂直取向的缺陷(基质或贴剂的裂纹)和体积缺陷(孔,空隙,夹杂物)。

从NDE到健康监控的步骤

    图2从信号生成的角度介绍了NDE方法的三个阶段。在第一阶段(图2a),发射器-接收器探针扫描对象。该对象可以是被动的也可以是主动的。那是经典的NDE方法。在第二阶段,内部执行器用作测试信号的发送器(图2b)。外部扫描传感器(或传感器阵列)接收表征发送器(执行器)以及通道(结构)的信号。当然,这个原理可以颠倒。这两个阶段均创建图片作为检查结果。最后,第三阶段避免使用外部传感器或变送器。在此,内部传感器和执行器用作发送器和接收器(图2c)。为了获得有关结构特性的局部分布的信息,可以将传递功能切换到各种执行器。不幸的是,没有图片可以指望,找出这种方法的机会和局限性是当前的调查问题。


     图2:具有外部发射器和外部接收器的经典NDE。b。有源NDE,带有内部发送器和外部接收器。C。使用内部发送器和内部接收器进行健康监控。

高分辨率成像NDE方法

    作为第1阶段的方法,已经应用了X射线检查(X),超声波(US)和涡流(EC)。放射线检查能够研究层压板以及压电陶瓷的表面和内部损伤。数字成像以差分模式用于检测压电陶瓷中的裂纹。超声波是基于弹性机械波在内部边界的反射和传输行为(5)。纵向波的垂直入射对应于纯纵向波模式的存在,并允许检测大多数结构缺陷。为了测试智能CFRP结构,必须牢记材料各向异性,异质性和分层结构的问题(6)。

    涡流法使用材料的各向异性电导率。沿着碳纤维发现的导电性比横跨纤维好。此外,压电陶瓷贴片上还涂有薄薄的铜-镍层以进行电接触。该层能够携带涡流。在贴片破裂的情况下,涂层也会破裂,从而中断电流路径。这些方法的性能在图3中的层压板中开裂的致动器上得到了证明。在将贴片嵌入层压板之前先将其打碎。


     图3:层压板上破裂的PZT贴片的NDE图像。

    涡流图像(EC)反映了执行器和CFRP层的金属涂层。由于报告的样品中的金属层没有完全覆盖陶瓷板,因此右侧部分的裂纹区域仍然未被发现。超声图像(美国)显示了用于固定损坏的执行器的胶带在压电陶瓷贴片边缘附近的矩形区域。此外,裂缝网络变得部分可见。X射线图像(X)中清晰的裂纹线是由使用微分技术和特殊孔径以限制辐射到PZT区域的过程产生的。

    接触时存在缺陷
    非常敏感的一点是执行器的接触,因为它也可能在高压釜固化过程中损坏执行器。一种接触是绝缘绒布中的专用窗口,如图4a所示。CFRP导电层是某些执行器的公共电极。另一个电极与由几千根细丝组成的纤维粗纱接触。接触窗在固化时会使压电陶瓷弯曲甚至破裂。US-C扫描显示由于纵向波传播时间减少而导致的变形区域。变形程度可以在US-B扫描中测量,精度高达20 µm。此外,US-C扫描显示出一些裂纹分支和相接触的碳纤维粗纱。EC图像清楚地显示了裂纹,并指出了由于致动器和探头之间距离的减小而导致的变形为暗区。X射线图像会引起裂纹,但无法检测到变形。

    防止高压釜固化期间的剪切应力的另一种接触方式是切成条状的铜网。压电陶瓷上方和下方的网格覆盖整个贴片区域。图4b显示了一些细节。然而,在开始使用这项技术的初期,对于普通的X射线设备来说,裂纹是看不见的。只有微焦点系统和铜网的金属丝一起产生裂缝。


     图4:由于接触而导致的缺陷的NDI结果。

    电路损坏
    在多执行器样品的功能测试期间,一个样品无法按预期控制。当某些PZT补丁应单独起作用时,它们会一起起作用。另一个补丁根本不起作用。


     图5:使用a)和b)超声波以及c)涡流技术检测电击穿。 图6:堆叠中的纤维受到污染。

    陶瓷贴片之一(灰色矩形)的US扫描(图5a)显示出一个明亮的圆形区域,该圆形区域是由贴片弯曲到接触窗中引起的。此外,可以观察到贴片左右边缘的黑点。另一个深度平面的美国C扫描(图5b)显示了从这些点开始的亮线。由于它们的特性,这些反射器被认为是无意将碳纤维粗纱拼接而成的。

    EC扫描(图5c)可以识别压电陶瓷贴片的边缘以及接触粗纱。另外,可以观察到与美国结果相对应的线性物体。这些电导率异常证实了剪接碳纤维接近压电陶瓷贴片的假设。塑性成像研究导致图6中的重建,显示了污染的纤维。

    当载流电流时,灯丝被烧毁,导致局部材料降解(图5b中的黑点)。

    冲击破坏
    冲击破坏可以通过各种NDE方法进行可视化,从而对其复杂结构进行全面调查。该示例(图7)显示了由DP-RTM标本上的液滴重量引起的低速冲击(仅0.5焦耳)的NDE图像。视觉上看不到损坏。在压电陶瓷的下部,由贴片两侧的两个接触粗纱引起裂痕。圆形区域是冲击产生的。使用第5.1段中所述的主动US方法记录US扫描。该方法的一个优点是抑制了覆盖CFRP层。很明显,环的内部和外部区域保持活动状态。环形区域中信号的缺失是由于分层而中断声波到扫描换能器的传输所致。图7中的微分X射线在压电陶瓷贴片中产生了圆形裂纹。EC扫描被编织的CFPR垫的图案覆盖,还可以看到由于贴剂的金属涂层损坏而产生的黑环。所有NDE图像均确认受影响区域中心没有明显损坏。


     图7:嵌入的压电陶瓷贴片上0.5焦耳冲击的NDE图像。

主动无损技术

    有源超声
    如图8所示,有源超声技术使用嵌入式压电陶瓷传输超声波。短的电脉冲会产生一个宽频带。传统的扫描探针接收来自结构的波并建立压电陶瓷活动的空间分布的图像。在高频下,压电陶瓷以及覆盖的CFRP和绝缘层中的瑕疵变得可见。压电陶瓷贴片的局部弯曲以及其中的裂缝等结构特征也可以检测到。因此,该技术允许对结构进行非常全面的可视化。


     图8:有源超声设置和两个频率的结果。

    主动热成像
    红外热像仪可视化主动压电陶瓷及其布线产生的热场。图9显示了导电粗纱中电阻加热和压电陶瓷贴片中振动加热的影响。三个压电陶瓷贴片的形状和位置在50 Hz的频率下清晰可见。随着频率的增加,压电陶瓷的电容电阻减小,从而将能量转换重新定位到电流引线。可见纤维粗纱以及明亮的接触点。温度是衡量材料降解潜在危险的一种方法。


     图9:主动热成像的原理和结果。

    主动电磁法
    对于主动电磁法,执行器由谐波电流驱动,产生可被外部传感器检测到的电磁场。此处,将商用涡流设备在2 MHz时的放大输出电压用于馈送压电陶瓷,并使用差分EC探头作为扫描传感器。因此,通过观察样品中的电流分布,可以捕获磁场的正常分量。图10中的结果图像显示了执行器的当前粗纱,左边缘和垂直裂缝。常规的X射线图像证实了这一结果。


     图10:主动电磁的原理和结果。

健康监测

    对于高度负责的应用,例如在航空领域,需要对结构和功能完整性进行永久而完整的监督。智能CFRP结构为此目的提供了不同的方法(图11)。压电陶瓷贴片可以起作用

    • 作为声发射传感器,用于检测发展中的损害,

    • 作为超声波的发射器和接收器

    • LAMB波或基于结构耦合的阻抗谱换能器?机械和电气性能(7)。


     图11:健康监测的不同方法。

    电阻抗光谱
    由于所检查的智能结构中机械和电气特性的耦合,因此应该有可能从电阻抗的测量得出结论,以找出缺陷的存在。与非破坏性评估一样,已证明的研究范围从低kHz频率到大约MHz的高频不等。图12显示了实验设置的结果,使用网络分析仪进行电气控制和测量,并使用一条CFRP材料作为样本。阻抗-频率图显示了集成压电陶瓷的宽带特性。由于样品的振动而在较低的kHz范围内产生的共振峰变得可见。这些峰值显然与长度或宽度方向上的特殊形式的振动模式相关。进一步的实验表明,由冲击损伤引起的阻抗峰值的变化。图12中的小镶嵌图片扩大了被谴责的频率范围,从而引起了共振峰的形状细节。1焦耳冲击后,峰逸出(虚线)。


     图12:具有某些本征模式共振的阻抗谱图。

    LAMB波技术
    集成的压电陶瓷贴片能够产生并接收在板状结构平面内传播的超声波LAMB波。取决于厚度与波长之比,存在许多不同的波模式,例如,它们的形状和色散行为。实际上,至少两种模式以不同的频率出现。除了频率和厚度以外,这些波的传播特性还受CFRP结构的(各向异性)材料特性支配。

    对于在健康监控系统中的应用,有两种方法很有希望:

    • 压电陶瓷产生LAMB波,并通过分布式传感器接收

    • 通过以下定位和评估(冲击传感器)感测由破坏事件(冲击)产生的LAMB波。

    为了这些目的,进行了涉及生成,接收和传播特性的基本实验。结果表明,压电陶瓷主要产生第一对称和不对称的LAMB波模式,以不对称模式为主。压电陶瓷贴片的边缘被标识为源,因此完整的信号来自不同波的叠加。


     图13:羔羊波的产生和可视化。

    为了确认LAMB波对缺陷的可检测性,通过撞击在CFRP材料中产生了分层,并通过外部换能器扫描了该区域的LAMB波场。在图13中,由矩形压电陶瓷贴片的边缘发射的LAMB波的场分布变得可见,并且冲击区域由较低的波幅标记。

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