孔隙率对碳纤维增强复合材料光热辐射信号的影响

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1、中国激光第42卷第7期Vol.42,No.72015年7月CHINESEJOURNALOFLASERSJuly,2015孔隙率对碳纤维增强复合材料光热辐射信号的影响1122吴恩启徐紫红郭新欣AndreasMandelis1上海理工大学机械工程学院,上海2000932多伦多大学扩散波先进技术中心,多伦多M5S3G8摘要为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)孔隙率与光热辐射(PTR)信号的影响，建立了四层PTR理论模型，并搭建了相应的实验平台。采用三种不同直径的激光束分别对9种孔隙率的CFRP样品进

2、行了实验，以玻璃碳为参考材料，对所得PTR幅值和相位信号进行了规格化处理。实验结果表明，在功率一致的条件下，相同调制频率下的PTR相位随着激光直径的减小而增加，而幅值刚好相反。激光束直径为0.2mm时，低频率扫描的PTR相位信号随着孔隙率的增加而降低。关键词材料;碳纤维增强复合材料;光热辐射;孔隙率;热性能中图分类号TN249文献标识码Adoi:10.3788/CJL201542.0706006InfluenceofPorosityonPhotothermalRadiometryofCarbon

3、FiberReinforcedpolymers1122WuEnqiXuZihongGuoXinxinAndreasMandelis1SchoolofMechanicalEngineer,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China2CenterforAdvancedDiffusion-WaveTechnologies,UniversityofToronto,Toronto,OntarioM5S3G8,Canada

4、AbstractTostudytheinfluenceofporosityonphotothermalradiometry(PTR)signalsofcarbonfiberreinforcedpolymers(CFRPs),afour-layeredPTRmodelisdevelopedandPTRmeasurementsareperformed.Threelaserbeamswithdifferentdiametersareusedtomeasure9CFRPsampleswithvaried

5、porositylevels.ThemeasuredamplitudesandphasesofthePTRsignalsarenormalized.TheresultshowsthatthephaseofPTRsignalincreaseswithdecreasedbeamsizeifthelaserpowerarekeptconstant.Forabeamsizeof0.2mm,thePTRphaseincreaseswhentheCFRPsampleporositydecreases.Key

6、wordsmaterials;carbonfiberreinforcedpolymer;photothermalradiometry;porositynormalization;ther⁃malpropertiesOCIScodes160.1245;160.2750;140.33301引言碳纤维增强复合材料(CFRP)作为一种高性能结构材料，具有重量轻、强度高、热膨胀系数小等优点，被[1-2]广泛应用于航空航天、汽车和国防等领域。以波音B787和空客A350为代表的大型商用飞机，其复合材料[3]

7、在飞机结构重量中的占比已经达到或超过了50%。随着耐湿热性和强度的提高，CFRP在飞机上的应用已由次承力机构发展到主承力结构。CFRP以碳纤维或其编织物为增强体，以树脂或橡胶为基体制备而成。由于特殊的工艺，在CFRP材料中会存在一定数量的微小孔隙。孔隙的存在不但降低了材料强度和刚度，而[4-5]且对热性能产生影响。因此研究孔隙率对热性能的影响对CFRP的应用有重要的意义。[6-7]利用光热辐射(PTR)技术可以实现均匀材料涂层热传导系数和热扩散系数的测量，而对非均匀材料的[8][9]测量理论研究

8、报道较少，Wang等利用三维PTR技术实现了硬化钢表层热传导系数进行测量，Torres等对牙用数值的热扩散系数进行了研究。目前国内外对复合材料的孔隙率检测方法研究较多，但对孔隙率对热收稿日期:2015-01-13;收到修改稿日期:2015-03-21基金项目:国家自然科学基金(51205255)作者简介:吴恩启(1972—)，男，博士，副教授，主要从事无损检测方面的研究。E-mail:weqsd@163.com0706006-1中国激光性能影响研究报道不多。本文根据PTR原理和CFRP的结构，建