木质材料损伤断裂中声发射特性的研究进展及趋势

郭晓磊，胡 伟，郭 勇

(1.南京林业大学学院木材工业学院，南京210037;2.安徽农业大学学院木材工业学院，合肥230036)

随着木材工业的发展，木质材料 (包括木材和木基复合材料等)的应用越来越广泛。如木结构建筑的梁和柱可采用单板层积材和平行定向成材，胶合木梁等一些大构件可以用于一些跨度较大的建筑物，木质工字梁的腹板、墙板和楼层面板等可采用定向刨花板［1］。但木质材料本身亦存在一些固有缺陷和损伤、以及在应力作用下，木质材料会发生变形甚至断裂，影响其使用。因此，研究木质材料损伤的起始与扩展愈来愈重要，这是安全可靠的使用木质材料的基础。

声发射技术是一种新型的动态无损检测技术，可以实时在线监测木质材料裂纹尖端起裂时间、破坏源的位置以及材料损伤的严重性，可以避免重大安全事故的发生。研究木质材料损伤断裂中的声发射特性具有重大的社会效应和经济效益。本文介绍了声发射技术的定义、原理以及在木材工业中的应用，综述了声发射技术在木质材料损伤断裂中的研究进展与趋势，旨在为声发射技术的进一步研究提供参考，促进其应用。

1 声发射技术及其应用

声发射 (Acoustic Emission，简称AE)是指当材料受到外力或内力作用产生变形或断裂时，以瞬态弹性波形式释放出应变能的现象，有时也称为应力波发射。声发射信号是指由传感器接收AE事件，经前置放大器、信号调理装置等处理而显示的电信号，用声发射仪探测、记录和分析、处理声发射信号以及由检测到的声发射信号推断声发射源的部位、性质及其严重性的技术称为声发射技术。声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频，直到超声频，其频率主要集中在100kHz到1MHz之间;其幅度从微观的位错运动到大规模宏观断裂在很大的范围内变化，按传感器的输出可包括数μV到数百mV。从声发射源释放出的弹性波传播到材料表面时，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，传感器再将这些探测到的机械振动转化为电信号，再被放大、处理和记录。

目前，声发射技术已经在压力容器的安全性检测和评价、焊接过程的监控和焊缝焊后的完整性检测、核反应堆的安全性监测、石油化工工业、航空航天、铁路、汽车、建筑等诸多领域都取得了重要进展。国内外声发射技术在木材工业中的应用主要集中于以下几个方面:

(1)应用于检测木材干燥过程中内应力的变化。日本学者对木材干燥过程中声发射信号进行采集和分析，并成功开发出了木材干燥自动控制系统。中南林业大学的谢力生教授［2］根据AE计测值预测干燥开裂，利用AE信息对干燥过程进行自动控制，可有效减少开裂的产生。

(2)由于木质材料在弯曲过程中会产生应力，因而也会产生声发射现象。因此，可以在不破坏木质材料的情况下，用AE检测或预测材料的抗弯强度。

(3)利用声发射技术可以检测木质材料的力学性能及其内部缺陷，徐慧［3］研究了刨花板在三点弯曲及拉伸过程中的声发射特性，测试表明:刨花板在加载弯曲过程中的声发射特性曲线能较好地反映刨花板的力学性能，即声发射特性曲线能反映出材料的弹性区、永久变形区、弹性极限点等参数。

(4)在木材切削加工过程中，声发射技术主要应用于监测刀具的磨损，以及切削加工过程中加工质量的控制，研究发现，当切削条件 (树种、切削速度、切削厚度等)改变时，AE信号的变化和加工表面粗糙度之间有密切的对应关系。

2 木质材料损伤断裂中声发射特性的研究进展

木质材料的损伤断裂机理不同于金属等均质材料，而目前研究木质材料损伤断裂行为的方法是将木质材料假想成连续的均质材料，多采用均质材料 (如金属)—力学试验和微观观察相结合的研究方法，但由于力学试验参量对复杂的微观断裂不敏感，有时不能发现和区分某些损伤断裂源，而显微观察也只是在事后观察断口，研究局部断裂形貌，因而无法研究断口的形成过程，也无法研究木质材料中各断裂源的特征。利用声发射技术可以对木质材料损伤断裂全过程进行有效监测，分析研究采集到的声发射信号，可以判断木质材料损伤的类型、发生损伤时的临界载荷以及裂纹扩展起始点、损伤断裂阶段等。

2.1 木材损伤断裂中声发射特性的研究进展

木材是一种具有多孔、层状结构的天然复合材料，用作结构材时，其固有的非均匀性和节疤、开裂等缺陷以及其它不连续的性质容易造成木材断裂，而断裂特性是木结构安全性评价及木结构设计的重要指标。国内外学者对木材损伤和断裂的声发射特性的研究起始于20世纪80年代，声发射技术也已发展成为有效跟踪木试件损伤演变的方法之一。

A Reiterer［4］等人在2000年研究了2种针叶材和3种阔叶材在断裂模式Ⅰ破坏过程中的声发射活动，为了描述初始裂纹和裂纹的演化，通过所测得载荷位移曲线估算拉伸强度和断裂能，得出破坏过程的不同可以通过声发射事件的累计计数和幅值来研究。J.Raczkowski［5］和 S.E.Stanzl-Tschegg［6］等人分别深入研究了受真菌感染和受SO2污染的木材在受力过程中的声发射现象。2001年，S Aicher［7］通过声发射分析技术研究了云杉在垂直纤维方向拉伸载荷条件下的破坏演变过程，研究表明，声发射事件率和整体应变之间的相关性就可以跟踪材料的破坏，声发射率增加可以标识明显的破坏。2002年，孙建平［8-9］等人利用声发射测试和力学实验相结合的方法，研究了山杨在动态载荷下声发射的演变过程，通过参数分析法分析不同受力阶段木材的声发射特点，发现山杨在受力条件下的完全弹性、弹性为主的和塑性为主的弹塑性共存三种状态可以由声发射累计撞击数和累计能量增加快慢体现;声发射信号的声发射率、上升时间和幅值参数可预测材料开始断裂进入危险期和材料大量纤维断裂进入严重危险期的两个“临界点”。王坚伟［10］采集了电子万能力学试验机对杉木进行紧凑拉伸实验过程中的声发射信号，首次通过振铃法确定木材断裂的临界点，并指出临界点的确定必须符合两个条件:第一，该点的值明显高于之前对应点的值;第二，该点之后一段时间内的点所对应的值也大于正常值。2007年，朱红娟［11］利用小波分析和神经网络技术对不同损伤程度的落叶松的声发射信号进行研究，建立了描述缺陷信号特征值和缺陷状态之间的映射关系，可以有效将无缺陷、轻微缺陷和严重缺陷三种缺陷模式识别。2009年，邵卓平［12］等以两种针叶材 (鱼鳞云杉、落叶松)和两种阔叶材(意杨和红锥)为试材，研究了无缺陷试件和含裂纹试件在三点弯曲破坏过程中材料内部微结构演化的声发射特性，研究得出，一些较低振幅的声发射信号出现在无缺陷试件加载初期，且声发射事件发展缓慢;而大量高振幅的声发射信号则出现在峰值载荷附近及韧性断裂阶段。张志研［13］在分别对桦木、水曲柳、落叶松三种木材的LT裂纹类型试样进行三点弯曲试验的同时，利用声发射仪采集信号，研究得出三点弯曲有、无裂纹承载过程中裂纹扩展临界应力及无裂纹试样裂纹产生临界应力相差较大;通过声发射技术对木材裂纹扩展临界点进行监测研究，对比声发射技术确定的裂纹扩展临界载荷和木材载荷-位移曲线确定的木材裂纹扩展载荷，发现前者略小于后者。

木材的微观损伤断裂方式主要有胞、壁间界面损伤，细胞壁屈曲和局部塌溃损伤带，微孔洞损伤与汇合以及微裂隙损伤，但每一种损伤、断裂在其发生、发展中都会有明显的声发射特征。通过对木材损伤断裂过程中声发射信号的分析，来识别和判断木材断裂源的位置、何时发生损伤断裂及其不同阶段等，为研究木材损伤断裂机理提供参考依据。

2.2 木基复合材料断裂损伤中声发射特性的研究进展

木质基体复合材料 (简称木基复合材料)是利用不同维数木质单元为基体的协同效应和加和法则，通过与异质、异型、异性的增强体或功能单元混杂复合加工形成的新型多相材料［14］。简单的说，木基复合材料是以木质单元为主体，与木质或其它单元 (合成高聚物、金属或非金属等)复合而成的新型材料。

国内外将声发射技术应用于复合材料领域的研究已有许多成功的事例，如一些研究人员将它应用于材料的损伤和破坏研究。Huguet、Siron［15-16］等人分别利用声发射技术研究了纤维增强复合材料的损伤机理，丁利伟［17］等利用声发射技术对16MnR/0Cr18Ni9Ti复合材料的拉伸过程进行了监测，分析拉伸过程中声发射信号的能量、振铃计数、幅值、持续时间等特征参数，可以将拉伸过程分为不同的破坏阶段，实验表明声发射监测可以发现载荷与应变关系曲线所不能反映出来的材料损伤。赵方芳［18］等利用声发射技术监督了颗粒填充聚合物材料含单边缺口试样承受三点弯曲载荷时裂纹尖端形成损伤开裂的全过程，有效地识别了颗粒填充聚合物材料的破坏模式。

目前，声发射技术应用于木基复合材料中的研究还没有像其他复合材料一样广泛，但国内外一些学者在这方面也做了一些开拓性的研究，并取得了一定的成果。如Acher和Dill-Langer［19］在1998 年把声发射用于胶合层积材在垂直纹理拉伸载荷条件下的裂纹扩展定位研究。王军［20］等用两个R15型传感器组成的声发射采集系统采集了由稻糠粉、聚乙烯塑料、偶联剂等混合造粒并在高温下挤出成型的新型木塑材料三点弯曲实验下的声发射信号，确定了不同缺陷及损伤模式所对应的声发射特征信号。南京林业大学殷冬萌［21］利用万能力学试验仪和声发射采集系统完成了三点弯曲试验下声发射信号的采集工作，结合受压材料断面的金相观察得出木塑复合材料缺陷和损伤的五种类型，并应用人工神经网络模式识别出此五类声发射信号:纤维断裂、界面分离、基材开裂、空洞和界面摩擦，正确率达到94.3%。徐慧［22］等分析了声发射技术在刨花板力学性能检测中的应用，研究发现由AE振铃计数-位移曲线可求得弹性极限点和破坏点的位置，作为检测材料力学性能的补充手段，具有实时性强、灵敏度高等优点，且能有效获得材料的损伤机理。

研究木基复合材料损伤断裂过程中声发射特性，判断其内部存在的缺陷及损伤断裂机理，对研究和改进生产工艺具有重要的指导意义。随着木基复合材料种类的增多，如木材/金属复合材料，木材/竹材复合材料，木材/无机非金属复合材料，竹木复合结构材料等，及应用领域的扩大，结合声发射技术在其他复合材料中的研究方法，声发射技术在木基复合材料中的应用将会更加深入。

3 声发射技术在木质材料科学领域的发展趋势

声发射技术与其他常规无损检测技术相比，是根据材料内部释放出来的应力波来判断其内部损伤情况的一种动态无损检测方法，它探测到的能量来自材料本身内部缺陷的运动和变化。因此，利用声发射技术可以获得关于木质材料损伤断裂过程中的丰富信息，未来进一步的研究将主要集中在以下几个方面:

3.1 研究对象及内容会不断扩大

木质材料的加工过程远比其他材料的加工过程所消耗的能量及对环境的影响小，且木质材料具有可再生性等优点，因此木质材料的应用会逐渐扩大，新型结构的木质材料也将会被开发出来。利用声发射技术对木质材料加工生产过程中产品质量、设备运转状态等进行动态监测，无需停机检查即可根据采集到的声发射信号检验产品质量是否合格，生产过程是否良好等。随着新材料的开发成功及应用，不仅需要对实体木材和胶合板、刨花板以及中密度纤维板等木质材料动态载荷下损伤断裂过程中的声发射特性进行研究，对木塑复合材料、单板层积材、胶合木等木质材料和大型结构用材的动态载荷作用下的声发射特性的研究也会呈现增多的趋势。对木质材料的损伤断裂、结构材的动态监测将进行深入的研究［23］，同时还应将声发射特性作为木质材料的固有参量，同其他表征材料力学性能的参量一起进行研究，对木质结构材料的设计、安全性评价等具有重要指导意义。

3.2 用于监测木质材料破坏过程及其损伤机理的研究

与其他材料一样，木质材料在所受应力的不同阶段，声发射特性是不同的。根据这些变化可以较准确的判断材料所处的状态和是否达到材料破坏的临界值。声发射信号中包含了材料损伤断裂过程的所有重要信息，今后可将声发射技术和万能试验机有机结合，形成一种能准确监控加载过程中损伤起始和演变的实验技术和装置，得到反映损伤过程的载荷-声发射图。以研究不同的声发射参数与材料受力之间的关系，以及不同的加载速率和环境对木质材料损伤断裂过程及声发射信号的影响。所以可以根据采集到的声发射信号有效判断材料所处的应力状态，找到材料发生破坏的临界点，这对于实际应用中预估材料的使用寿命具有重要参考价值。此外，对声发射源的研究应将扩大。断裂力学是研究木质材料损伤机理的理论基础，而声发射技术是定量研究断裂力学的一种重要手段，声发射技术能够给出关于材料内部缺陷的丰富信息，所以将声发射技术同断裂力学结合起来，可以深入研究木质材料断裂过程中的声发射信号产生机理，以揭示木质材料裂纹的形成、扩展、断裂过程同声发射活动特征之间的对应关系。

3.3 声发射信号的分析方法及声发射仪研究

声发射信号的分析处理是声发射技术的重要部分。试验中采集的声发射信号是复杂多变的且易受外界环境的影响，要提取出有用的声发射信号就必须采用先进的信号处理技术。随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，声发射信号的处理方法将引入更多的分析方法，如基于波形分析上的模态分析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人工神经网络模式识别等。对声发射信号参数，应采用模式识别、灰色关联分析和模糊分析等技术。在仪器和软件开发方面，进一步提高声发射检测仪器的可靠性，开发高效的声发射信号数据分析与处理软件包。利用现代计算机无线 (含有线)网络功能，研制允许用户远程操作及监视的声发射系统，并进行远程数据传输及诊断。

4 结束语

在大力提倡环保、节能、可持续发展的今天，木质材料具有良好的绝热、吸声、吸湿以及具有固碳、低耗能、可再生、强重比高等优点，使得木质材料具有广阔的应用领域。但由于木质材料内部存在一些微观的细微缺陷，且长期在外力作用下易发生弯曲变形直至破坏，存在一定的安全风险。声发射技术可以很好的监测和识别木质材料缺陷和损伤发展过程，对判断木质材料损伤断裂源的位置以及何时发生损伤断裂，评估其使用寿命等方面具有其他无损检测方法不可比拟的优势，因此声发射技术在木质材料损伤断裂中的应用也将不断得到发展。

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