碳纤维材料孔隙率超声测验与评价技术研究

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1、碳纤维材料孔隙率超声测验与评价技术研究1绪论1.1引言随着航空航天事业的不断发展，材料的使用环境越来越恶劣，对材料的要求也越来越苛刻。先进复合材料由于其质量轻、强度大、甜腐姓等特点，在航空航天领域得到了广泛的应用。数据显示，采用复合材料的机身构件，比金厲材料结构减轻重量31.5%,减少零件31%,复合材料垂直安定面可减轻重量32.24%[1]。近些年来，复合材料的生产制造技术曰趋成熟，性能也日趋优越，以高性能树脂基碳纤维复合材料为主的新型复合材料，在新一代军用及民用大型客机中所占比例越来越大。Airbus公司的

2、A350客机，复合材料结构重量占全机结构重量的52%，被认为.是迄今为止复合材料用量比例最大的一种客机；波音公司的波音787客机复合材料结构重量比例也达到了50%，大大提高了结构效率[23];先进复合材料在国内外研制的各式无人机中的用量比例更是达到了结构总重量的80%~90%[4]。复合材料的使用比例不仅在数量上有了质的飞跃，而且其使用范围已不仅限于辅助构件，在大型机身、机翼类等承力构件上复合材料也逐渐成为核心的结构材料[5].复合材料由于其特殊的制造工艺，在制造过程中不可避免的出现孔隙、疏松、空洞、夹杂、分层

3、等缺陷[6],缺陷的存在会严重影响材料的力学性能[7]。孔隙是最为常见也是最难被检测到的缺陷Judd等人[11]的研究表明，孔隙率增1%，复合材料的剪切强度将下降7%，疲劳寿命会下降高达50%。Hagemaier[i2]U为复合材料孔隙率在航空航天领域中不能大于2%,而在其它工业领域中，孔隙率范围也要控制在5%以内[13]。因此，复合材料的缺陷检测技术直接影响着复合材料的应用范围和前景，而无损检测技术是复合材料缺陷检测技术中应用最广也最为有效的检测技术。相比与传统的金属材料检测，由于复合材料的内部结构更加复杂，

4、使得复合材料具有声各向异性、高声衰减系数和强频散系数等特点，同时复合材料缺陷多为微观缺陷，因此，传统的无损检测技术应用到复合材料检测时会出现很多难题。..1.2复合材料相关技术综述复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工组合而得到的多相固体材料。根据基体材料的不同，复合材料可分为金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料；根据增强体形态的不同，复合材料可分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、叠层或夹层复合材料、三维编织复合材料。复合材料在制备过程中由于各种原因，如环境中的杂质、工艺实施不

5、完善等因素，造成最终的复合材料制品存在着不同类型的缺陷[2()二1]。复合材料因组分、复合类型及复合工艺不同，其中的缺陷（大小、类型、位置、取向、危害）差别很大，本文研究的复合材料属于树脂基碳纤维增强型复合材料（CFRP),因而本节仅对该类型复合材料的常见缺陷进行讨论。根据已有的研究和实际应用经验，CFRP中常见的缺陷种类有孔隙、分层、夹杂、纤维弯曲、富脂或贫脂。此外，还可能存在裂纹、疏松、纤维体积百分比超差、纤维/基体界面结合不好、铺层或纤维方向的误差、缺层、铺层搭接过多等缺陷。孔隙是复合材料成型过程中形成的

6、空洞，是复合材料的主要缺陷之一。孔隙可分为分布式孔隙和集中孔隙，通常用孔隙率作为评价孔隙含量的指标。孔隙率分为体积孔隙率和面积孔隙率，体积孔隙率是单位体积内孔隙体积所占百分比，面积孔隙率是单位面积内孔隙面积所占百分比。由Stone和aarke[22]的实验可知，当孔隙率低于1.5%时，孔隙多呈球形，直径为5~20/mi,当孔隙率大于1.5%时，孔隙多呈扁平状，其直径要大的多，且孔隙与纤维轴向平行。..2碳纤维复合材料孔隙率超声检测技术2.1引言超声检测法已成为复合材料孔隙率检测的主要技术手段。随着复合材料的不断

7、发展，在某些特殊的检测场合，传统的检测方法如声衰减法、声速法表现出了一定的局限性，因而出现了一些新的超声检测方法，包括基于背散射信号的检测方法、背散射法、Pitch-Catch法和声阻抗法，本章将对复合材料孔隙率的检测方法做详细的论述。近些年来，声衰减法依然是孔隙率检测领域人们研究的热点。Mascaro[95]研究表明树脂基复合材料中树脂对声波的衰减作用要远大于纤维，孔隙的大小、形状因子等因素对声波的衰减也起着重要的作用，纤维的排布方式对声波衰减作用也不相同；其它一些研究人员对声波频率与树脂对声波的衰减关系做了

8、大量研究，发现两者之间存在线性关系高晓进等人对孔隙尺寸几何形貌与超声衰减之间的关系进行研究，发现超声衰减系数随孔隙几何形貌参数（平均长、宽、面积）的增大而增大。2.2基于衰减理论的孔隙率检测方法通过底波或透射波的衰减来测量复合材料孔隙率，是工业上孔隙率测量的常用方法。超声衰减法模型最初是通过超声透射法检测材料孔隙率中得到，Stone和aarke[22]最早对孔隙率与超声衰减关系进行了研