基于碳纖維增強(qiáng)塑料并帶有嵌入式PZT傳感器和執(zhí)行器的智能材料有望成為減振和降噪的首選復(fù)合材料。全面的非破壞性表征和完整的健康監(jiān)控有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)及其制造，并且是確保智能組件在其使用壽命內(nèi)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(diǎn)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(fù)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(fā)射器的最新開發(fā)的成像技術(shù)。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(jìn)行健康監(jiān)測。對帶狀樣品的機(jī)電有限元建模和實(shí)驗(yàn)研究表明，機(jī)械性能和電阻抗之間有著緊密的聯(lián)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(tǒng)。陶瓷板嵌入在不導(dǎo)電材料的薄層（聚酯纖維墊）之間以實(shí)現(xiàn)電絕緣。為了避免由導(dǎo)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(fù)合板的一部分是預(yù)浸料制造的（圖1b），另一部分是采用DP-RTM技術(shù)制造的（差壓-樹脂傳遞模塑，圖1c），可確保結(jié)構(gòu)的極高品質(zhì)和可重復(fù)性。在此，纖維材料以干燥狀態(tài)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(tǒng)，a）堆疊順序，b）預(yù)浸料層壓板的顯微圖，c）DP-RTM材料的顯微圖。

陶瓷貼片的機(jī)械性能和熱性能與基質(zhì)之間的顯著差異要求采用先進(jìn)的制造技術(shù)。主要的挑戰(zhàn)是基于先進(jìn)的非破壞性診斷方法（2）來創(chuàng)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(kuò)展到常規(guī)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(dǎo)致更智能的NDE程序。它的成功應(yīng)用需要對損壞的性質(zhì)，大小和位置以及廣泛的數(shù)據(jù)采集和處理有基本的了解（3）。實(shí)時健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)減少維護(hù)成本，并提供許多獨(dú)特的機(jī)會來評估結(jié)構(gòu)完整性（4）。

待評估的性能范圍包括復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（纖維取向，層順序，傳感器和執(zhí)行器位置，局部纖維或環(huán)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(zhì)或貼劑的裂紋）和體積缺陷（孔，空隙，夾雜物）。

從NDE到健康監(jiān)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(fā)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(jīng)典的NDE方法。在第二階段，內(nèi)部執(zhí)行器用作測試信號的發(fā)送器（圖2b）。外部掃描傳感器（或傳感器陣列）接收表征發(fā)送器（執(zhí)行器）以及通道（結(jié)構(gòu)）的信號。當(dāng)然，這個原理可以顛倒。這兩個階段均創(chuàng)建圖片作為檢查結(jié)果。最后，第三階段避免使用外部傳感器或變送器。在此，內(nèi)部傳感器和執(zhí)行器用作發(fā)送器和接收器（圖2c）。為了獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)特性的局部分布的信息，可以將傳遞功能切換到各種執(zhí)行器。不幸的是，沒有圖片可以指望，找出這種方法的機(jī)會和局限性是當(dāng)前的調(diào)查問題。




圖2：具有外部發(fā)射器和外部接收器的經(jīng)典NDE。b。有源NDE，帶有內(nèi)部發(fā)送器和外部接收器。C。使用內(nèi)部發(fā)送器和內(nèi)部接收器進(jìn)行健康監(jiān)控。

高分辨率成像NDE方法

作為第1階段的方法，已經(jīng)應(yīng)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(nèi)部損傷。數(shù)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(jī)械波在內(nèi)部邊界的反射和傳輸行為（5）。縱向波的垂直入射對應(yīng)于純縱向波模式的存在，并允許檢測大多數(shù)結(jié)構(gòu)缺陷。為了測試智能CFRP結(jié)構(gòu)，必須牢記材料各向異性，異質(zhì)性和分層結(jié)構(gòu)的問題（6）。

渦流法使用材料的各向異性電導(dǎo)率。沿著碳纖維發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)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(jìn)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(zhí)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(cè)部分的裂紋區(qū)域仍然未被發(fā)現(xiàn)。超聲圖像（美國）顯示了用于固定損壞的執(zhí)行器的膠帶在壓電陶瓷貼片邊緣附近的矩形區(qū)域。此外，裂縫網(wǎng)絡(luò)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(shù)和特殊孔徑以限制輻射到PZT區(qū)域的過程產(chǎn)生的。

接觸時存在缺陷
非常敏感的一點(diǎn)是執(zhí)行器的接觸，因?yàn)樗部赡茉诟邏焊袒^程中損壞執(zhí)行器。一種接觸是絕緣絨布中的專用窗口，如圖4a所示。CFRP導(dǎo)電層是某些執(zhí)行器的公共電極。另一個電極與由幾千根細(xì)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(dǎo)致的變形區(qū)域。變形程度可以在US-B掃描中測量，精度高達(dá)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(dǎo)致的變形為暗區(qū)。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(yīng)力的另一種接觸方式是切成條狀的銅網(wǎng)。壓電陶瓷上方和下方的網(wǎng)格覆蓋整個貼片區(qū)域。圖4b顯示了一些細(xì)節(jié)。然而，在開始使用這項(xiàng)技術(shù)的初期，對于普通的X射線設(shè)備來說，裂紋是看不見的。只有微焦點(diǎn)系統(tǒng)和銅網(wǎng)的金屬絲一起產(chǎn)生裂縫。




圖4：由于接觸而導(dǎo)致的缺陷的NDI結(jié)果。

電路損壞
在多執(zhí)行器樣品的功能測試期間，一個樣品無法按預(yù)期控制。當(dāng)某些PZT補(bǔ)丁應(yīng)單獨(dú)起作用時，它們會一起起作用。另一個補(bǔ)丁根本不起作用。




圖5：使用a）和b）超聲波以及c）渦流技術(shù)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(qū)域，該圓形區(qū)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(diǎn)。另一個深度平面的美國C掃描（圖5b）顯示了從這些點(diǎn)開始的亮線。由于它們的特性，這些反射器被認(rèn)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(jié)果相對應(yīng)的線性物體。這些電導(dǎo)率異常證實(shí)了剪接碳纖維接近壓電陶瓷貼片的假設(shè)。塑性成像研究導(dǎo)致圖6中的重建，顯示了污染的纖維。

當(dāng)載流電流時，燈絲被燒毀，導(dǎo)致局部材料降解（圖5b中的黑點(diǎn)）。

沖擊破壞
沖擊破壞可以通過各種NDE方法進(jìn)行可視化，從而對其復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面調(diào)查。該示例（圖7）顯示了由DP-RTM標(biāo)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(cè)的兩個接觸粗紗引起裂痕。圓形區(qū)域是沖擊產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)是抑制了覆蓋CFRP層。很明顯，環(huán)的內(nèi)部和外部區(qū)域保持活動狀態(tài)。環(huán)形區(qū)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(chǎn)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(chǎn)生的黑環(huán)。所有NDE圖像均確認(rèn)受影響區(qū)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(shù)

有源超聲
如圖8所示，有源超聲技術(shù)使用嵌入式壓電陶瓷傳輸超聲波。短的電脈沖會產(chǎn)生一個寬頻帶。傳統(tǒng)的掃描探針接收來自結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征也可以檢測到。因此，該技術(shù)允許對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非常全面的可視化。




圖8：有源超聲設(shè)置和兩個頻率的結(jié)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(chǎn)生的熱場。圖9顯示了導(dǎo)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(zhuǎn)換重新定位到電流引線。可見纖維粗紗以及明亮的接觸點(diǎn)。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(jié)果。

主動電磁法
對于主動電磁法，執(zhí)行器由諧波電流驅(qū)動，產(chǎn)生可被外部傳感器檢測到的電磁場。此處，將商用渦流設(shè)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(jié)果圖像顯示了執(zhí)行器的當(dāng)前粗紗，左邊緣和垂直裂縫。常規(guī)的X射線圖像證實(shí)了這一結(jié)果。




圖10：主動電磁的原理和結(jié)果。

健康監(jiān)測

對于高度負(fù)責(zé)的應(yīng)用，例如在航空領(lǐng)域，需要對結(jié)構(gòu)和功能完整性進(jìn)行永久而完整的監(jiān)督。智能CFRP結(jié)構(gòu)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(fā)射傳感器，用于檢測發(fā)展中的損害，

• 作為超聲波的發(fā)射器和接收器

• LAMB波或基于結(jié)構(gòu)耦合的阻抗譜換能器？機(jī)械和電氣性能（7）。




圖11：健康監(jiān)測的不同方法。

電阻抗光譜
由于所檢查的智能結(jié)構(gòu)中機(jī)械和電氣特性的耦合，因此應(yīng)該有可能從電阻抗的測量得出結(jié)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(shí)驗(yàn)設(shè)置的結(jié)果，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)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(nèi)產(chǎn)生的共振峰變得可見。這些峰值顯然與長度或?qū)挾确较蛏系奶厥庑问降恼駝幽Ｊ较嚓P(guān)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)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(kuò)大了被譴責(zé)的頻率范圍，從而引起了共振峰的形狀細(xì)節(jié)。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(shù)
集成的壓電陶瓷貼片能夠產(chǎn)生并接收在板狀結(jié)構(gòu)平面內(nèi)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(shí)際上，至少兩種模式以不同的頻率出現(xiàn)。除了頻率和厚度以外，這些波的傳播特性還受CFRP結(jié)構(gòu)的（各向異性）材料特性支配。

對于在健康監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，有兩種方法很有希望：

• 壓電陶瓷產(chǎn)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(chǎn)生的LAMB波。

為了這些目的，進(jìn)行了涉及生成，接收和傳播特性的基本實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，壓電陶瓷主要產(chǎn)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(biāo)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(chǎn)生和可視化。

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