孔隙率超声检测技术在复合材料中的应用

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1、超声检测技术在复合材料中的应用陈友林(成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川成都610092)摘要：本文依据法宇航标准，针对超声衰减系数与频率之问存桎线性关系，对复合材料层压板结构件采用超声检测技术进行孔隙率检测与分析，讨论孔隙率评定基准，建立检测方法，并实施应用中提出以“逐次逼近法”和对法宇航标准的等效传递来确立鹏孔隙率的基准，从而解决了采用穿透法标定孔隙率的方法。并在A340反推力门复合材料层压板构件上得以实施应用．关键词：复合材料孔隙率衰减1问题的提出复合材料的孔隙率检测是一项新技术，由于复合材料的结构和制造]：艺有不

2、同于金属材料的特殊性，影响材料性能的不仅仅是分层、夹杂、疏松等材料宏观缺陷，孔隙是碳纤维复合材料中最常见的缺陷之一。孔隙的出现严重影响了材料的力学性能，不但降低了材料的剪切强度、弯曲强度、抗拉和抗压强度，对材料的疲劳寿命也有显著影响。所以孔隙率是碳纤维复合材料层压结构件质量评定的重要指标之一。因而仅对复合材料宏观缺陷进行无损检测不能完全满足保证复合材料质量的要求。2测试方法的确定超声检测技术是目前用于复合材料最有效的无损检测方法之一。由于孔隙率对超声波的衰减作用．和超声波在不同介质界面上的反射作用等，当复合材料中含有孔隙等缺

3、陷时会产生超声波能量的衰减，并影响其声能的传播，从而孔隙率与超声波衰减量之间存在一定的相关性。在本文中，我们采用了脉冲穿透法方式测取实际孔隙率R的方法。通过目前所掌握的信息，对复合材料孔隙率测量比较直观、准确的方法是采用超声C扫描彩色成像检测，针对标准确定以不同的色彩对应表示孔隙率的含量。但须建立孔隙率为0％的标准试块，以提共孔隙率检测评定的基准。3层压结构件孔隙率检测原理层压结构件孔隙率的检测，目前采刚较多的方法之一。就是超声穿透法。测量由受检部位存在孔隙率造成的衰减米进行的。众所周知，在通常。f：程上无损检测所使用频率范

4、围内的超声波对于空气界面儿乎全反射，碳纤维复合材料层压结构内部孔隙率只能在树脂中出现，并且主要是在层压板之间的贫脂区域中，在多层的碳纤维层间孔隙率存在和分布密度会阻止声能的传播，由于超声波部分被拦截而造成衰减。对于同一区域上相同的铺层处，在同一灵敏度扫描条件下所对应的衰减值和孔隙率，而产生对应穿透声波衰减值dB的量化记录。3．1孔隙率声衰减理论考虑材料中仅含有孔隙缺陷，则碳纤维复合材料的声衰减理论模型为：口T=cR月’R+cF厂3尺；斥+Cvo．8(g器．8)3／4一时1晶．8+cvIog§1．0厂2W+1墨．o-I-口v3

5、(1)其中当材料的总体积不变时，有关含量应满足总量不变关系：．2I．R诉喁爿(2)以上式中：听、口v3——总的，及由满足^m>l关系的孔隙所日I起的卢衰减系数，G、昂—分别与树脂、碳纤维的几何、声学特性有关的常数，矗。．0“，肌一，日厂与满足kJR608、08<南BEl0关系的孔隙的几何和声学特性有关的常数，矗。．片一满足血脚8、0．8(“畦l_0关系的孔隙含量与总孔隙含量的比值，辟．肝—一碳纤维、孔隙的半径．吊，异、厅—一树脂、碳纤维和孔隙的含量，—按统计规律得出的用以表征R与m之间相关关系的常数，产—超卢波的中心频率。在

6、孔隙率的实际检测过程中．一般闻定地用某一频率的超声波进行，因此，可归并入常数中。且假定已选择适当的频率^使关系式^m到O满足，因而可消击o。；项。事实上，Po一和^。是很难确定的。在忽略口。，的情况下，同时在^扁<8的情况下，与R的关系均小于耳。可以看出aT随^的变化基本上在^和碍之间。而是月；IR、砰的线性组台来近似在一定孔隙率范围内的孔隙引起的超声波衰减，这时式(1)便被简化为：aT=co+qPv+G群(3)其中G、岛、岛为常数。考虑材料中存在的各种缺陷引起超声波的衰减，而影响到孔隙率的检测精度问题。我们从孔隙率概念推导

7、得到的理论关系式(I)山发．考虑其它缺陷的当量影响，结合对材料特性与检铡特征的分析，及超声衰减测量与实际孔隙率的破坏性实验，犀后得到分布当量孔隙率与声衰减之间的检测关系式。Pv=(一c．+届ji司／2c：(4)32超声C扫描检测实验测定结果--IIli番目1目j镕$c日描植Ⅲ或博囱一22-鋈爱选用3块尺寸为80X25X2m寸的碳纤维复合材料工艺试件LjUS59对比试块．州UPR--9型超声C扫描检测系统与10FJiz的纵被探头，喷水耦台，咀喷亦穿透方式进行衰减测定。测试结果见倒1。实验表明孔隙对超声波的衰减在10删z内随着频

8、率的增加单调增加。3孔隙幸的醢坏性铡定33l化学酸蚀测试方法将试片制成20X10X2mm5大小，进行烘干、称重、酸蚀等，对分离出纤维与树脂再分别称重并用公式计算出：a纤维与树脂的体积百分率PF=。DIXmfPR=000—mf、x告砟(％)：纤维体积含量，PP(％)：树腊体积含量，m，(％)