声发射技术可准确检测聚合物复合材料中的损伤
正是碳纤维赋予了材料刚度和强度。碳纤维被用来编织多向层状织物，并浸渍环氧树脂，形成多层结构。PCM比传统金属轻30%~50%，因此非常适合用于航空航天应用和其他形式的交通工具。
尽管复合材料有很大的优势，但民用飞机生产商波音公司仍在生产金属机翼，因为可以确保机翼表面接触处的完美铆接，金属翼面连接起来几乎没有缝隙。
在空客A320/321飞机和波音737系列飞机的机翼生产中使用铝合金的主要原因不是缺乏PCM完整性控制技术，而是开发新复合材料机翼的成本太高。2021年，空客公司估计开发这种机翼的成本大约在40亿至50亿美元之间。与此同时，波音和空客早在10多年前就已经制造出了复合材料机翼的飞机——波音787和空客A350。
俄罗斯彼尔姆物理和技术理工学院（PNIPU）正在通过无损检测手段对复合材料产品的强度和完整性进行研究，其中使用声发射技术对碳纤维增强塑料进行研究，以确定导致其失效的载荷。这些研究将有助于预测结构的损坏情况，提高其可靠性和航空运输运行的安全性。研究结果发表在2024年5月出版的《材料变形与断裂》杂志上。
对于聚合物复合材料来说，一种关键的失效类型是层间剪切，它可能发生在严重受力的情况下，例如飞机发动机叶片的底部。为了研究这种变形的极限，彼尔姆物理和技术理工学院的科学家使用现代实验力学方法对PCM进行了研究。他们通过初步冲击来控制碳纤维增强塑料的层间剪切，首先对样品进行冲击测试，然后进行层间剪切测试。
参与研究的PNIPU实验力学和结构材料科学系研究生叶卡捷琳娜·切博塔廖娃说：“强度测试模型与声发射和数字图像相关技术的结合，使我们能够非常准确地记录和确定剪切变形造成的损坏类型。第一种方法可以记录物体发出的声波信号，从而对复合材料的损坏状态进行定性评估。第二种方法可以检测结构在加载过程中各种缺陷的定位和发展，记录位移和变形场。”
实验使用的是碳纤维增强塑料短梁样品，这些样品受到的冲击能量分别为1、3、5和6焦耳。试验期间记录了声发射信号和变形场。结果表明，能量为1和3焦耳的撞击不会对材料产生明显影响，而能量为5和6焦耳的撞击则会使材料在实验初期就开始失效。
声发射和数字图像相关方法有助于准确确定损坏类型及其定位。能量为5焦耳和6焦耳的撞击导致声学信号的峰值振幅明显增大，材料损坏的频率也更高。对声频的分析表明，基体开裂对应低频，材料分层对应中频，纤维破坏对应高频。
PNIPU科学家的研究发现，冲击能量为1焦耳和3焦耳的初步冲击对PCM样品的损坏没有明显影响。而5~6焦耳的试验一开始就已破坏，会出现强烈的分层和材料底部裂纹。所进行的试验将有助于更准确地预测碳纤维增强复合材料结构的行为，提高其可靠性和耐用性。（航柯）