Electromagnetic ultrasonic on-line monitoring method and failure mechanism of carbon fiber reinforced resin matrix composite material gas cylinder
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摘要: 氢能具有来源广泛、清洁无碳等优点，随着氢能源的广泛应用，氢能储运逐渐成为研究热点。目前，国家大力发展的碳纤维增强树脂基复合材料气瓶已被广泛应用于氢能储运领域，然而气瓶在使用和运输过程中，容易出现纤维断裂、划伤，严重影响使用安全，故亟需发展碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术。针对复合材料气瓶的纤维断裂、划伤缺陷在长期、多次充放气过程中发生扩展的问题，采用电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，EMAT)在线监测方法，并结合90TJ3-140 MPa水压疲劳系统，分别采用超声导波反射式和透射式方法，分析了纤维损伤对导波幅值的影响，并研究了含纤维损伤的气瓶在不同疲劳状态下的导波信号特征的变化规律。结果表明：纤维损伤会降低透射波幅值，且幅值减少量由纤维损伤程度决定；随着气瓶内压的增加，超声导波的声速和中心频率逐渐减小；长20 mm、宽0.5 mm和深1 mm的裂纹对应的缺陷波幅值呈先增大后减小的趋势，经过110 MPa、80次循环后，缺陷波幅值由19.33 mV减小至8.02 mV，声速减小了6.6%，中心频率从0.24 MHz减小至0.17 MHz，纤维完全分层；针对长20 mm、宽0.5 mm和深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减小至20.08 mV，降低了75%；采用的电磁超声技术能够很好地解决碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术难题。Abstract: Hydrogen energy has the advantages of wide source, clean and carbon-free. With the wide application of hydrogen energy, hydrogen energy storage and transportation has gradually become a research hotspot. At present, the carbon fiber reinforced resin matrix composite material gas cylinder vigorously developed by the country has been widely used in the field of hydrogen energy storage and transportation, but the gas cylinder is prone to fiber breakage and scratches during use and transportation, which seriously affects the safety of use, so it is urgent to develop the carbon fiber reinforced resin matrix composite material gas cylinder online monitoring technology. In order to solve the problem that fiber fracture and scratch defects of composite material gas cylinders will expand during long-term and multiple filling and venting, an online monitoring method using electromagnetic acoustic transducer (EMAT) was adopted. Combined with the 90TJ3-140 MPa hydraulic pressure fatigue system, the influence of fiber damage on the amplitude of guided wave was analyzed by ultrasonic guided wave reflection method and ultrasonic guided wave transmission method, and the variation of guided wave signal characteristics of gas cylinders with fiber damage under different fatigue conditions was studied. The results show that fiber damage can reduce the amplitude of transmission wave, and the amplitude reduction is determined by the degree of fiber damage. With the increase of the pressure inside the cylinder, the sound velocity and center frequency of ultrasonic guided wave decrease gradually. For cracks with length 20 mm, width 0.5 mm and depth 1 mm, the amplitude of the defect wave increases first and then decreases. After 110 MPa and 80 cycles, the amplitude of the defect wave decreases from 19.33 mV to 8.02 mV, the sound velocity decreases by 6.6%, and the center frequency decreases from 0.24 MHz to 0.17 MHz, the fibers are completely layered. For cracks with a length of 20 mm, a width of 0.5 mm and a depth of 0.5 mm, when the internal pressure of the cylinder increases from 0 MPa to 105 MPa, the direct wave amplitude decreases from 80.17 mV to 20.08 mV, which decreases by 75%. The electromagnetic ultrasonic technology can effectively solve the difficult problem of on-line monitoring of carbon fiber reinforced resin matrix composite material gas cylinder.
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能源危机和环境问题是当今世界的两大难题，氢能作为一种来源广泛、清洁无碳、应用场景丰富的二次能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。2017年国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调查报告》中指出：到2050年，氢能源需求将是目前的10倍。预计到2030年，全球燃料电池乘用车将达到1000万辆至1500万辆。但由于氢气在常温常压下密度极低，且汽车空间有限，需要特定储氢技术才能满足车辆的日常使用需求[1-2]。
碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶是在金属或非金属内胆上用纤维材料缠绕制作而成，具有强度高、抗疲劳、轻量化、耐腐蚀、寿命长等优点，可以通过减压阀调节气体释放速度，充气、放气速度快，且工作温度范围较宽，可在常温至零下几十度的环境下正常工作，因此被广泛应用于氢能储运领域[3]。目前应用范围最广的金属内胆碳纤维增强树脂基复合材料气瓶多采用铝合金作为内胆，纤维层由碳纤维和玻璃纤维缠绕构成，并通过环氧树脂胶粘合衔接。纤维层具有比强度高、比模量大、耐腐蚀等优点，对气瓶起到重要的保护作用，也是气瓶强度承载介质压力的主要载体[4]。然而，气瓶在服役的过程中，由于纤维层承担了绝大部分内压，导致气瓶易出现纤维断裂，且在运输时易出现纤维划伤。在这种情况下，气瓶的多次循环载荷会造成纤维强度衰减，缺陷随之扩展，从而导致内胆开裂、气体泄漏，严重影响使用安全。因此为了保障复合材料气瓶的使用安全，研究有效的在线监测方法尤为重要[5]。目前已经开发了很多方法来对压力设备进行检测和评估[6-8]，传统的无损检测技术，如射线检测[9]、磁粉检测[10]、渗透检测[11]、光纤检测[12-13]、涡流检测[14]等方法已被广泛应用于结构安全监测。然而，这些方法都是点对点的检测，通常也是耗时的，而且难以实现原位检测[15]。
针对复合材料高压气瓶的在线监测方法，学者们多采用声发射、超声导波等方法。骆辉等[16]采用声发射技术监测分步升压过程中缠绕层损伤演化及信号响应特征，结果表明，随着缠绕层损伤程度增加，声发射信号响应幅度增高，临界损伤气瓶缠绕层信号活性增强约20倍，信号强度可达到2.0×10−12 J，增大约10倍。Chou等[17]在恒定和循环内部气体压力加载条件下，对声发射在纤维复合材料气瓶损伤检测中的应用进行了评估。结果表明，在恒压下，损伤的发展是高度可变的，同时在最终失效时的破裂寿命和声发射结果有很大差异，应力断裂寿命的高变异性主要是由于纤维断裂过程的随机性。Liao等[18]采用声发射法对70 MPa 的IV型容器的损伤机制进行了研究，结果表明，基体损伤信号最初出现在30~50 MPa的低加载阶段，信号强度随着压力的增加而增加，纤维断裂信号主要出现在最高压力158 MPa左右。Bo等[19]采用声发射技术对不同循环次数的非金属内衬复合材料气瓶进行了冲击损伤监测，结果表明，累计命中次数的变化趋势可以直接反映出不同循环次数后IV型气瓶冲击损伤的累积情况，能量和累计命中数是评价冲击损伤的有效表征方式。然而，声发射技术也有一定的局限性，比如无法判断损伤大小、难以形成定量结论。
在超声导波方面，杨斌等[20-22]研究了超声导波在复合材料气瓶中的传播规律及损伤定位方法、损伤定位精度的影响因素，并采用搭建的超声导波在线监测系统对复合材料气瓶进行结构健康监测。研究发现：导波在复合材料气瓶中的传播极易产生多模态现象，且超声波在气瓶类闭合体中传播几乎不会发生边界反射，而是绕着筒体循环传播直至能量耗尽，纤维层会影响超声波的传播特性，进而很大程度上影响缺陷定位定量精度。当激励频率为0.21 MHz和0.22 MHz时，导波振幅大、能量衰减小，损伤定位精度最佳。封头直径700 mm、筒身轴长1000 mm的气瓶中导波传播距离特征值所对应的幅值参数A0分别为5.4018、4.9821，当A0＜5时，缺陷定位精度快速降低；导波幅值随着气瓶疲劳周期的增加而减小，纤维层和金属内胆的应变随着内压的增加而增加。
目前，电磁超声换能器(EMAT)技术大多应用于金属构件工业无损检测领域，针对碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的在线监测，国内外学者很少采用电磁超声导波技术。传统压电超声技术存在如下问题：采用粘结剂直接将压电探头紧固在气瓶上，在多次充气和放气过程中，探头极易脱落；气瓶表面凹凸不平造成声能传输损失大，探头贴合困难；低频压电探头体积大，需要配合楔块使用，要求较大的安装空间；压电超声形成的导波传播非稳定区域大，在导波非稳定区域，缺陷定量/定位困难，对于较小的气瓶封口直径不适用。本文提出了金属贴膜式的电磁超声导波在线监测方法，解决了EMAT无法应用于非金属材料检测的技术难题，并结合90TJ3-140 MPa水压疲劳系统，分析了含纤维损伤的气瓶在加压疲劳过程中的失效形式及纤维损伤对透射波幅值的影响，研究了含纤维损伤的气瓶在不同疲劳状态下的超声导波信号特征的变化规律。
1. 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 electromagnetic acoustic transducer，PPM-EMAT)激发水平剪切(Shear horizontal，SH)波[23]。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。
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图 1 贴附式周期性永磁体序列电磁超声换能器(PPM-EMAT)的结构示意图及换能机制Figure 1. Structure diagram and energy exchange mechanism of attached periodic permanent magnet electromagnetic acoustic transducer (PPM-EMAT)SH—Shear horizontal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Bs作用下，产生洛伦兹力fL，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[24]。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[25]如下所示：
fd=nCs2 (1) 其中：d为导波波长；f为激励频率；Cs为横波声速；设导波模式n=0, 1, ···，可得n=1时，对应f为0.2 MHz，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0.25 MHz；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0.1 mm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5 mm、高5 mm，跑道线圈匝数为72，导线直径Φ为0.25 mm，线圈长度为75 mm、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1800 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[26]，横波声速[27]、纵波声速[28]分别为2000 m/s、3055 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。
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图 3 电磁超声在线监测系统及碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶Figure 3. Electromagnetic ultrasonic on-line monitoring system and carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder![]()
图 4 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的结构Figure 4. Structure of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder90TJ3-140 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。
表 1 水压疲劳试验参数Table 1. Hydraulic fatigue test parametersParameter Value High pressure holding deviation setting/MPa 4 High pressure holding time setting/s 2 Low pressure holding deviation setting/MPa 1 Low pressure holding time setting/s 2 Unloading proportional valve close setting 80.0 Pressure relief proportional valve close setting 80.0 Pressure relief proportional valve close minimum 0.2 Pressure relief proportional valve close extreme
dead zone value0.2 Step-down time increment setting/s 1 2. 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。
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图 7 不同疲劳状态下的超声A扫信号Figure 7. Ultrasonic A scanning signal under different fatigue conditions![]()
图 8 不同疲劳状态下的反射水平剪切(SH)导波幅值Figure 8. Amplitude of reflected shear horizontal (SH) guide wave under different fatigue states![]()
图 9 不同疲劳状态下的碳纤维分层情况：(a) 50 MPa-15次； (b) 60 MPa-15次；(c) 100 MPa-30次；(d) 110 MPa-80次Figure 9. Stratification of carbon fiber under different fatigue conditions: (a) 50 MPa-15 cycles; (b) 60 MPa-15 cycles; (c) 100 MPa-30 cycles; (d) 110 MPa-80 cycles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1833.07 m/s减小到了1711.74 m/s，下降了6.6%。
表 2 不同损伤状态下的碳纤维增强树脂基复合材料声速Table 2. Sound velocity of carbon fiber reinforced resin matrix composites under different damage statesFatigue state Velocity of sound/(m·s−1) 0 MPa 1833.07 20 MPa-15 cycles 1828.60 30 MPa-15 cycles 1827.49 40 MPa-15 cycles 1827.15 50 MPa-15 cycles 1767.83 60 MPa-15 cycles 1718.21 70 MPa-15 cycles 1713.31 80 MPa-15 cycles 1713.30 90 MPa-15 cycles 1718.21 100 MPa-30 cycles 1718.21 110 MPa-30 cycles 1711.74 110 MPa-80 cycles 1711.74 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0.24 MHz。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0 MPa升至110 MPa时，中心频率由0.24 MHz减小到了0.22 MHz。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。
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图 10 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的SH导波频谱Figure 10. SH guided wave spectrum of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder![]()
图 11 不同损伤状态下碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶SH导波的中心频率Figure 11. Center frequency of SH guided wave of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different damage states2.2 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20 mm、深度0.5 mm、宽度0.5 mm的裂纹时，透射SH导波幅值由89.37 mV下降为80.17 mV。
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图 12 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶有无缺陷时的超声A扫信号Figure 12. Ultrasonic A scanning signal with and without defect of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder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80.17 mV；当压力加至50 MPa，碳纤维层开始分层，透射波幅值下降；当压力增加到87.5 MPa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EMAT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20.08 mV，较未加压时减小了75%。
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图 13 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶透射式不同损伤状态下的超声A扫信号Figure 13. Transmission type ultrasonic A scanning signal of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different damage states![]()
图 14 15次循环下碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶不同损伤状态下的透射SH导波幅值Figure 14. Amplitude of transmitted SH guide wave of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different damage states with 15 cycles![]()
图 15 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶不同疲劳状态下的纤维分层情况：(a) 0 MPa；(b) 50 MPa；(c) 60 MPa；(d) 70 MPa；(e) 87.5 MPa；(f) 105 MPaFigure 15. Fiber delamination of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different fatigue conditions: (a) 0 MPa; (b) 50 MPa; (c) 60 MPa; (d) 70 MPa; (e) 87.5 MPa; (f) 105 MPa2.3 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[17, 29]。
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[30]。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。
3. 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，超声导波的声速及中心频率逐渐减小，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。
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图 1 贴附式周期性永磁体序列电磁超声换能器(PPM-EMAT)的结构示意图及换能机制
Figure 1. Structure diagram and energy exchange mechanism of attached periodic permanent magnet electromagnetic acoustic transducer (PPM-EMAT)
SH—Shear horizontal
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图 3 电磁超声在线监测系统及碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶
Figure 3. Electromagnetic ultrasonic on-line monitoring system and carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder
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图 4 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的结构
Figure 4. Structure of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder
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图 7 不同疲劳状态下的超声A扫信号
Figure 7. Ultrasonic A scanning signal under different fatigue conditions
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图 8 不同疲劳状态下的反射水平剪切(SH)导波幅值
Figure 8. Amplitude of reflected shear horizontal (SH) guide wave under different fatigue states
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图 9 不同疲劳状态下的碳纤维分层情况：(a) 50 MPa-15次； (b) 60 MPa-15次；(c) 100 MPa-30次；(d) 110 MPa-80次
Figure 9. Stratification of carbon fiber under different fatigue conditions: (a) 50 MPa-15 cycles; (b) 60 MPa-15 cycles; (c) 100 MPa-30 cycles; (d) 110 MPa-80 cycles
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图 10 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶的SH导波频谱
Figure 10. SH guided wave spectrum of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder
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图 11 不同损伤状态下碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶SH导波的中心频率
Figure 11. Center frequency of SH guided wave of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different damage states
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图 12 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶有无缺陷时的超声A扫信号
Figure 12. Ultrasonic A scanning signal with and without defect of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder
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图 13 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶透射式不同损伤状态下的超声A扫信号
Figure 13. Transmission type ultrasonic A scanning signal of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different damage states
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图 14 15次循环下碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶不同损伤状态下的透射SH导波幅值
Figure 14. Amplitude of transmitted SH guide wave of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different damage states with 15 cycles
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图 15 碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶不同疲劳状态下的纤维分层情况：(a) 0 MPa；(b) 50 MPa；(c) 60 MPa；(d) 70 MPa；(e) 87.5 MPa；(f) 105 MPa
Figure 15. Fiber delamination of carbon fiber reinforced resin matrix composite high pressure gas cylinder under different fatigue conditions: (a) 0 MPa; (b) 50 MPa; (c) 60 MPa; (d) 70 MPa; (e) 87.5 MPa; (f) 105 MPa
表 1 水压疲劳试验参数
Table 1 Hydraulic fatigue test parameters
Parameter Value High pressure holding deviation setting/MPa 4 High pressure holding time setting/s 2 Low pressure holding deviation setting/MPa 1 Low pressure holding time setting/s 2 Unloading proportional valve close setting 80.0 Pressure relief proportional valve close setting 80.0 Pressure relief proportional valve close minimum 0.2 Pressure relief proportional valve close extreme
dead zone value0.2 Step-down time increment setting/s 1 
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表 2 不同损伤状态下的碳纤维增强树脂基复合材料声速
Table 2 Sound velocity of carbon fiber reinforced resin matrix composites under different damage states
Fatigue state Velocity of sound/(m·s−1) 0 MPa 1833.07 20 MPa-15 cycles 1828.60 30 MPa-15 cycles 1827.49 40 MPa-15 cycles 1827.15 50 MPa-15 cycles 1767.83 60 MPa-15 cycles 1718.21 70 MPa-15 cycles 1713.31 80 MPa-15 cycles 1713.30 90 MPa-15 cycles 1718.21 100 MPa-30 cycles 1718.21 110 MPa-30 cycles 1711.74 110 MPa-80 cycles 1711.74
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百度学术
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其他类型引用(1)
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氢能具有来源广泛、清洁无碳等优点，随着氢能源的广泛应用，氢能储运逐渐成为研究热点。目前，国家大力发展的碳纤维增强树脂基复合材料气瓶已被广泛应用于氢能储运领域，然而气瓶在使用和运输过程中，容易出现纤维断裂、划伤，严重影响使用安全，故急需发展碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术。
针对复合材料气瓶的纤维断裂、划伤缺陷在长期、多次充放气过程中发生扩展的问题，采用电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)在线监测方法，并结合90TJ3-140 MPa水压疲劳系统，分别采用超声导波反射式和透射式方法，分析了纤维损伤对导波幅值的影响，并研究了含纤维损伤的气瓶在不同疲劳状态下的导波信号特征的变化规律。结果表明：纤维损伤会降低透射波幅值，且幅值减少量由纤维损伤程度决定；随着气瓶内压的增加，超声导波的声速和中心频率逐渐减小；长20 mm、宽0.5 mm和深1 mm的裂纹对应的缺陷波幅值呈先增大后减小的趋势，经过110 MPa、80次循环后，缺陷波幅值由19.33 mV减小至8.02 mV，声速减小了6.6%，中心频率从0.24 MHz减小至0.17 MHz，纤维完全分层；针对长20 mm、宽0.5 mm和深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减小至20.08 mV，降低了75%；采用的电磁超声技术能够很好得解决碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术难题。
疲劳状态下的反射SH导波幅值及中心频率
透射式监测下不同疲劳状态下的纤维分层情况
计量
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