试验原理及试验系统
利 用 周 期 性 永 磁 体 序 列 电 磁 超 声 换 能 器(Periodic permanent magnet electromagneticacoustic transducer，PPM-EMAT) 激 发 水 平 剪 切(Shear horizontal，SH) 波 。贴附式PPM-EMAT结构及换能机制如图1所示。贴附式 PPM-EMAT主要由永磁体、线圈、金属薄膜及被检试件组成。 当PPM-EMAT 的跑道线圈中通以高频大功率激励电流时，将在金属薄膜中产生频率相同、方向相反的感应电涡流Je。Je在周期性永磁体序列提供的静态偏置磁场B作用下，产生洛伦兹力f，并将力耦合至与金属薄膜紧密粘贴的碳纤维增强树脂基复合材料试件中，带动被检试件的表面质点振动，在长度方向激发SH波。 PPM-EMAT 的永磁体尺寸会对检测结果造成影响，永磁体的长度和跑道线圈的匝数会直接影响 PPM-EMAT 激发的 SH 导波辐射声场，随着永磁体长度的增加，SH 导波的方向性和指向性逐渐加强，声束扩散角逐渐减小，远场区声场强度随着永磁体长度的增大而增大。因此在考虑气瓶的曲率半径及探头的贴合效果后，选择了长度为20 mm 的永磁体。永磁体的宽度影响激励超声波的波长，较宽或较窄的永磁体都无法达到较好的缺陷检测灵敏度和空间分辨率。低频超声波对高衰减复合材料检测更有利。另外考虑到电磁超声功率放大器的功率频响特性，即当激励频率小于0.15 MHz 时，峰值功率输出显著减小。因此选择永磁体宽度为 5 mm，导波频率及材料声速关系表达式如下所示: 其中:d为导波波长;f为激励频率;C为横波声速;设导波模式n=0,l,…，可得n=1时，对应f为0.2MHz，在实验过程中，根据超声波的空间分辨率和信噪比，经过反复测试，选定检测系统的激励频率为0.25MHz;由于被检对象纤维增强树脂基复合材料为高声衰减材料，且气瓶本身直径较大、长度较长，因此为了实现更长的检测距离，采用3层永磁体，以提供更强的静态偏置磁场，达到增强超声波能量的作用。 PPM-EMAT探头如图2所示，激励和接收EMAT 由0.1mm厚的铜箔与3层10对永磁体及跑道线圈组成，永磁体尺寸为长20 mm、宽5mm、高5mm，跑道线圈匝数为72，导线直径Φ为0.25 mm，线圈长度为75mm、宽40 mm。 电磁超声在线监测系统及碳纤维增强树脂基复合材料气瓶如图3所示，Tektronix AFG3022B和 Agilent 33220A 信 号 发 生 器 产 生 中 心 频 率 为0.25 MHz 的激励信号，经 RPR-4000 功率放大器和阻抗匹配后，激励端 EMAT 获得较大能量从而激发超声波，接收端 EMAT 经阻抗匹配后，通过NET8544 数据采集卡在 PC 机上的 LabVIEW 界面显示并存储数据。带通滤波范围为 50~500 kHz，同步平均次数为 32。气瓶试样由中材科技 (成都) 有限公司提供，直径为 410 mm，长为 1 800 mm。70 MPa 氢气 III型气瓶结构如图 4 所示，内胆材料选用 6061T6 铝合金，最小设计壁厚 为 5 mm，复合材料层 为T800 级碳纤维，外表由玻璃纤维缠绕而成，并通过环氧树脂衔接粘合。纤维缠绕层最小厚度为13.86 mm，横波声速、纵波声速分别为2 000 m/s、3 055 m/s。瓶身分别预制有长 20 mm、宽 0.5 mm、深 1 mm 和长 20 mm、宽 0.5 mm、深0.5 mm 的轴向裂纹。90TJ3-140 MPa 水压疲劳系统如图 5 所示，试验参数如表 1 所示。水压系统主要由水箱、管泵、阀门、过滤器、冷却系统组成，通过加压、泄压模拟气瓶的充气、放气过程，可灵活调整压力幅值与循环次数等参数，用于研究内压对气瓶裂纹损伤的影响。 试验结果 2.1 导波 EMAT 反射法试验结果
导波 EMAT 反射法检测示意图如图 6 所示， 激励 EMAT 激发沿气瓶周向传播的 SH 导波，当 导波与缺陷作用后，会产生缺陷回波，从而被接 收 EMAT 所接收，另一部分则沿着气瓶周向继续 传播直至能量耗尽。
采用导波 EMAT 反射法，不同疲劳状态对应 的超声 A 扫信号如图 7 所示，提取到的缺陷波幅 值如图 8 所示。
图 9 为裂纹在不同疲劳状态下的 碳纤维分层情况。由图 8 和图 9 可知，在加压疲 劳的过程中，缺陷波幅值总体呈先增大后减小的 趋势。究其原因，当压力值较小时，由于碳纤维 承担了气瓶的内压，加工造成的半断裂状态的纤 维彻底断裂，缺陷处发生扩展，因此缺陷波增大；当压力增加到 50~60 MPa 时，缺陷停止扩展，纤 维中的大分子链被拉长、伸直，形变量逐渐增大， 且纤维承担的拉应力大于环氧树脂的粘合力，纤维 开 始 分 层 ， 如 图 9(a)、 图 9(b) 所 示 ，导 致 EMAT 激励的超声波一部分沿分层的纤维传播，从而造成声能损失，缺陷波幅值逐渐减小。当压 力-循环次数达到了 100 MPa-30 次时，此时气瓶 的内压已远远超过了公称压力 75 MPa，纤维承担 的内压远大于树脂胶的粘合力，纤维分层面积快 速增大，不利于 EMAT 对导波信号的接收，因此 缺陷波幅值迅速减小；当压力值增加到 110 MPa 时，在 30 次循环状态下，缺陷波幅值已减小到 12.58 mV，当循环次数增加至 80 次时，沿缺陷周 向缠绕的纤维层完全分层，如图 9(d) 所示，缺陷 波已基本淹没在噪声中。根据图 7 中缺陷对应的 SH 导波到达时间，计 算不同损伤状态对应的 SH 导波声速如表 2 所示， 可知，在加压疲劳的过程中，碳纤维增强树脂基 复合材料的声速逐渐变慢，当气瓶内压由 0 MPa 增加至 110 MPa 时，材料声速也由 1 833.07 m/s 减 小到了 1 711.74 m/s，下降了 6.6%。
图 10 为碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的 SH导波频谱。可知，当复合材料气瓶尚未加压时，中心频率约为0.24MHz。不同损伤状态下SH导波中心频率如图11所示。可知，在气瓶加压的过程中，其中心频率随着压力的升高逐渐减小，当压力由0MPa升至110MPa时，中心频率由0.24MHz减小到了0.22MHz。当经过110 MPa、80 次循环后，沿缺陷周向缠绕的碳纤维层已完全分层，中心频率也陡降至0.17 MHz。
2.2 导波 EMAT 透射法试验结果
图12 为高压气瓶中有无裂纹对应的透射超声A扫信号。可知，当激励与接收EMAT中间存在长度20mm、深度0.5mm、宽度0.5mm的裂纹时，透射SH导波幅值由89.37 mV下降为80.17 mV。
不同损伤状态下的超声A扫信号如图13所示，提取到的直达波幅值如图14所示，图15为不同损伤状态下的纤维分层情况。由图14和图15可知，当气瓶尚未加压时，透射波幅值最大，达到了 80.17mV;当压力加至50MPa，碳纤维层开始分层，透射波幅值下降;当压力增加到87.5MPa时，此时已达到气瓶公称压力的1.25倍，纤维分层面积迅速扩展，透射波幅值继续减小;当压力为105 MPa时，在30次循环下，激励端与接收端MAT下方碳纤维已基本分层，且分层区域仍迅速沿缺陷处周向扩展，透射波幅值减小到了图7、图820.08 mV，较未加压时减小了 75%。
2.3 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶失效机制 通常来讲，碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的失效形式一般表现为“未爆先漏”，即内胆会先于纤维失效。 本文采用的带有纤维损伤的气瓶与完好的气瓶在冲压与泄压进程中的失效形式有所不同。分析原因可能为：在水压疲劳试验开始时，气瓶被充入初始水压，并保持一段时间以使材料和结构达到平衡状态，随着试验进行，水压逐渐增加到设定值。每个循环期间，气瓶内部的水压加载会引发应力分布的变化，且应力集中的区域在水压加载的循环过程中可能承受更高的应力。在这个过程中，由于纤维内部的结晶或分子链被应力拉伸，分子链会发生位移和重新排列，导致纤维发 生细微的塑性变形，增加了纤维的长度，但并不 引起断裂。随着加压压力和循环周期的增加，由于加载压力超出了环氧树脂的粘力，且气瓶纤维 损伤进一步加剧导致完好的纤维平均承担的内压 大大增加、应力分布不均。因此，在冲压、泄压的过程中，纤维损伤位置的纤维层会首先随着压力的增加而“泛白”，当压力和循环次数进一步 增加时，纤维分层区域沿损伤的周向扩展直至发生纤维层间分离，纤维层逐渐失去承载能力，进而失效。在针对含纤维损伤的复合材料气瓶的疲 劳试验过程中未见介质 (通常是水、油) 泄漏，说 明仅有纤维层破坏而内胆没有开裂。对于完好的气瓶来说，其失效形式一般为内 胆先于纤维失效。相较于铝合金内胆，碳纤维增 强树脂基复合材料在韧性方面表现更好，这是由于碳纤维增强树脂基复合材料由纤维和树脂基体组成，纤维起到了增强材料拉伸强度和刚度的作用，而树脂基体则提供了良好的抗冲击性和韧性。 纤维与树脂之间的相互作用使复合材料具备较高的韧性，在受力时能够吸收和分散能量，从而延缓破坏的发生。而铝合金在韧性方面相对较差，不具备较大的可形变量，容易发生断裂。因此，在疲劳后期，气瓶表面虽然没有明显的开裂，但随着多次冲压与泄压，气瓶表面会有介质流出。缠绕层始终处于弹性变形状态，随着加载压力不断增加，纤维中的晶粒开始滑移，并出现颈缩现象，纤维开始在某一位置缩窄并集中应变，当加载到纤维强度极限时，颈缩区域会继续缩小并断裂，导致气瓶彻底失效。 然而，含纤维损伤的复合材料气瓶在疲劳过程中的渐进失效形式还与损伤程度有关，对于纤维划伤、裂纹缺陷来说，通常是损伤深度和长度对失效形式和疲劳寿命影响最大。当损伤程度较小时，完好的纤维虽然承担了更多的内压，但仍可能会低于损伤阈值，因此气瓶在疲劳试验中仍可能与完好的气瓶同样表现为“未爆先漏”的状态。此外，纤维层及内胆的厚度、玻璃纤维缠绕方式均会大大影响气瓶的力学性能，进而影响其失效模式，关于具体的影响因素分析将在后续做进一步研究。 03 结 论 将电磁超声导波技术应用于碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的在线监测，用于实时监测高压气瓶的纤维断裂、划伤缺陷在气瓶长期、多次充放气过程中的扩展现象，并采用实验验证了采用超声波幅值、中心频率、声速来表征碳纤维损伤状态的可行性，主要结论如下: （1）采用的存在表面纤维损伤的气瓶与完好的气瓶在冲压与泄压进程中的失效形式有所不同，表现为纤维先于内胆失效。首先，损伤位置的纤维层随着压力的增加而“泛白”，随着压力及循环次数不断增加，纤维分层区域沿损伤的周向扩 展直至发生碳纤维层间分离。在疲劳试验过程中 未见介质泄漏，说明仅有纤维层破坏而内胆没有 开裂。此外，纤维损伤会降低透射超声波幅值，幅值减少量由纤维损伤程度决定； (2) 随着碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶 内压的增加，超声导波的声速中心频率逐渐减 小，长 20 mm、宽 0.5 mm、深 1 mm 的裂纹对应 的缺陷波呈先增大后减小的趋势，经过 110 MPa 压力、80 次循环加载后，缺陷波幅值从 19.33 mV 减小到了 8.02 mV，声速减小了 6.6%，中心频率 从 0.24 MHz 降低到了 0.17 MHz。针对长 20 mm、宽 0.5 mm、 深 0.5 mm 的 裂 纹 ， 当 气瓶内压由 0 MPa 增 加 至 105 MPa 时 ，直达波 幅值由 80.17 mV 减小到了 20.08 mV，降低了 75%； (3) 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶常用于车载供氢、储氢，气瓶在使用过程中导致的纤维划伤、磨损会大大影响气瓶的力学性能。本文采用的贴附式电磁超声换能器 (EMAT) 在线监测方法能够监测纤维损伤在充气、放气过程中的扩展现象及气瓶的渐进失效过程。但在实际使用中，由于EMAT通常需要较大的功率输出以满足信号 传播的需求，因此其激励电压远远高于压电超声 技术，且纤维缠绕复合材料气瓶在役时内部存有 氢气，当采用裸探头进行在线监测时，依然存在 爆炸的危险。针对贴附式 EMAT在线监测技术，探头外壳的静电防护设计及检测系统集成化、便 携化仍是必要的研究点。 [ 1 ] CHEN S, WANG Y, LANG X, et al. Rapid and high hydrogen storage in epoxycyclopentane hydrate at moderate pressure[J]. Energy, 2023, 286: 126638. [ 2 ] 吕洪, 黄港淇, 沈亚皓, 等. 燃料电池汽车车载高压IV型储氢瓶 耐火烧性能仿真[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2022, 53(12)：4637-4647. LYU Hong, HUANG Gangqi, SHEN Yahao, et al. Numerical simulation of fire resistance performance of high-pressure type IV hydrogen storage tank for fuel cell vehicle[J]. Journal of Central South University (Science and Technology)，2022，53(12)：4637-4647(in Chinese). [ 3 ] 刘培启, 杨帆, 黄强华, 等. T700碳纤维增强树脂复合材料气瓶 封头非测地线缠绕强度[J]. 复合材料学报, 2019, 36(12)：2772-2778. LIU Peiqi, YANG Fan, HUANG Qianghua, et al. Nongeodetic winding strength of T700 carbon fiber reinforced resin composite cylinder head[J]. Acta Materiae Compositae Sinica，2019，36(12)：2772-2778(in Chinese). [ 4 ] 李玉峰, 靳庆臣, 刘志栋. 复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计 和ANSYS分析技术[J]. 推进技术, 2013, 34(7)：968-976. LI Yufeng, JIN Qingchen, LIU Zhidong. Filament-wound design and ANSYS analysis for composite material highpressure vessel[J]. Journal of Propulsion Technology， 2013，34(7)：968-976(in Chinese). [ 5 ] DENG G, WANG H, JIA G, et al. Effect of outer surface defects on large capacity composite cylinders for tube trailers[C]//ASME 2019 Pressure Vessels & Piping Conference. San Antonio: Pressure Vessels and Piping Division, 2019, 58943: V003T03A065. [6] DAVIS P, BROCKHURST J. Subsea pipeline infrastructure monitoring: A framework for technology review and selection[J]. Ocean Engineering，2015，104：540-548. [ 7 ] EYBPOOSH M, BERGES M, NOH H Y. An energy-based sparse representation of ultrasonic guided-waves for online damage detection of pipelines under varying environmental and operational conditions[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2017，82：260-278. [ 8 ] BIE H, LI X, LIU P, et al. Fatigue life evaluation of high pressure hydrogen storage vessel[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2010，35(7)：2633-2636. [ 9 ] HO J K M, CHAU J P C, CHEUNG N M C. Effectiveness of emergency nurses' use of the Ottawa Ankle Rules to initiate radiographic tests on improving healthcare outcomes for patients with ankle injuries: A systematic review[J]. International Journal of Nursing Studies，2016， 63：37-47. [10] TOKURA S, HARA M, KAWAGUCHI N, et al. Contactless magnetic manipulation of magnetic particles in a fluid[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2016，411：68-78. [11] SCHRÖDER M, BIEDERMANN C, VILBRANDT R. On the applicability of dye penetrant tests on vacuum components: Allowed or forbidden[J]. Fusion Engineering and Design，2013，88(9-10)：1947-1950. [12] DAVID N, VON SCHILLING K, WILD P M, et al. In situ measurement of relative humidity in a PEM fuel cell using fibre Bragg grating sensors[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2014，39(31)：17638-17644. [13] WESTERWAAL R J, ROOIJMANS J S A, LECLERCQ L, et al. Nanostructured Pd-Au based fiber optic sensors for probing hydrogen concentrations in gas mixtures[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2013，38(10)：4201- 4212. [14] LIU T, WANG W, QIANG W, et al. Mechanical properties and eddy current testing of thermally aged Z3CN20.09M cast duplex stainless steel[J]. Journal of Nuclear Materials， 2018，501：1-7. [15] LIU T, WANG W, QIANG W, et al. Mechanical properties and eddy current testing of thermally aged Z3CN20.09M cast duplex stainless steel[J]. Journal of Nuclear Materials， 2018，501：1-7. [ 1828 · 复合材料学报 https://fhclxb.buaa.edu.cn [16] 骆辉, 李桐, 黄强华, 等. 基于声发射技术的大容积玻璃纤维缠 绕气瓶冲击损伤评定[J]. 振动与冲击, 2023, 42(5)：143-149. LUO Hui, LI Tong, HUANG Qianghua, et al. Impact damage evaluation of large volume glass fiber wrapped gas cylinder based on AE technology[J]. Journal of Vibration and Shock，2023，42(5)：143-149(in Chinese). [17] CHOU H Y, MOURITZ A P, BANNISTER M K, et al. Acoustic emission analysis of composite pressure vessels under constant and cyclic pressure[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing，2015，70：111-120. [18] LIAO B B, WANG D L, HAMDI M, et al. Acoustic emissionbased damage characterization of 70 MPa type IV hydrogen composite pressure vessels during hydraulic tests[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44(40)：22494-22506. [19] BO K, LIU S, CHENG L, et al. Experiment research on acoustic emission of impact-damaged fully-wrapped composite gas cylinder with non-metallic liner[C]//Advances in Acoustic Emission Technology: Proceedings of the World Conference on Acoustic Emission. Singapore: Springer Proceedings in Physics, 2021: 383-391. [20] 杨斌, 胡超杰, 轩福贞, 等. 基于超声导波的压力容器健康监测 I: 波传导行为及损伤定位[J]. 机械工程学报, 2020, 56(4)：1- 10. YANG Bin, HU Chaojie, XUAN Fuzhen, et al. Structural health monitoring of pressure vessel based on guided wave technology. Part I: Wave propagating and damage localization[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(4)：1-10(in Chinese). [21] 杨斌, 胡超杰, 轩福贞, 等. 基于超声导波的压力容器健康监测 II: 定位精度的影响因素[J]. 机械工程学报, 2020, 56(8)：133- 140. YANG Bin, HU Chaojie, XUAN Fuzhen, et al. Structural health monitoring of pressure vessel based on guided wave technology. Part II: Damage localization accuracy influencing factors[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020， 56(8)：133-140(in Chinese). [22] 杨斌, 胡超杰, 轩福贞, 等. 基于超声导波的压力容器健康监测 III: 纤维缠绕压力容器的在线监测[J]. 机械工程学报, 2020, 56(10)：19-26. YANG Bin, HU Chaojie, XUAN Fuzhen, et al. Structural health monitoring of pressure vessel based on guided wave technology. Part III: online monitoring of filament wound pressure vessel[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2020，56(10)：19-26(in Chinese). [23] RIBICHINI R, CEGLA F, NAGY P B, et al. Study and comparison of different EMAT configurations for SH wave inspection[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control，2011，58(12)：2571-2581. [24]吴锐, 石文泽, 卢超, 等. 航空不锈钢薄板电磁超声SH导波检测 定量分析方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9)：735-748. WU Rui, SHI Wenze, LU Chao, et al. Quantitative analysis method for electromagnetic ultrasonic SH guided wave detection of aerospace stainless steel sheet[J]. Aeronautica et Astronautice Sinica， 2022， 43(9)：735-748(in Chinese). [25] 石文泽, 程进杰, 胡硕臻, 等. 脉冲压缩在铝薄板电磁超声导波 检测中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(3)：517-528. SHI Wenze, CHENG Jinjie, HU Shuozhen, et al. Application of pulse compression in electromagnetic ultrasonic guided wave detection of aluminum sheet[J]. Acta Aeronautica et Astronautice Sinica，2022，43(3)：517-528(in Chinese). [26] 詹合林, 朱冰冰, 岳增柱, 等. 车用70 MPa压缩氢气铝内胆碳纤 维全缠绕气瓶的应力分析[J]. 现代制造工程, 2018(12)：114- 118. ZHAN Helin, ZHU Bingbing, YUE Zengzhu, et al. The stress analysis of the fully-wrapped carbon fiber reinforced cylinders with an aluminum liner for the on-board storage of compressed hydrogen as a fuel for land vehicle with nominal working pressure of 70 MPa[J]. Modern Manufacturing Engineering，2018(12)：114-118(in Chinese). [27] 李伟, 李建增, 周海林, 等. 多层碳纤维布复合材料超声检测的 有限元模拟[J]. 纤维复合材料, 2011, 28(3)：17-21. LI Wei, LI Jianzeng, ZHOU Hailin, et al. Finite element simulation of ultrasonic inspection in multi-layers carbon fiber composite[J]. Fiber Composites，2011，28(3)：17- 21(in Chinese). [28] 周正干, 朱甜甜, 马腾飞, 等. 先进树脂基复合材料纤维褶皱缺 陷阵列超声全聚焦成像[J]. 复合材料学报, 2022, 39(9)：4384- 4392. ZHOU Zhenggan, ZHU Tiantian, MA Tengfei, et al. Array ultrasonic total-focus imaging for advanced resin matrix composite fiber wrinkle defect arrays[J]. Acta Materiae Compositae Sinica，2022，39(9)：4384-4392(in Chinese). [29] 肖飚, 杨斌, 胡超杰, 等. 基于埋入式应变片的纤维缠绕压力容 器的健康监测[J]. 高压物理学报, 2019, 33(4)：56-62. XIAO Biao, YANG Bin, HU Chaojie, et al. Structural health monitoring of filament wound pressure vessel by embedded strain gauges[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics，2019，33(4)：56-62(in Chinese). [30] KIM Y S, KIM L H, PARK J S. The effect of composite damage on fatigue life of the high pressure vessel for natural gas vehicles[J]. Composite Structures， 2011， 93(11)：2963-2968.
