复合材料孔隙率超声衰减法检测技术研究进展及应用

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1、钐论坛FORUM复合材料孔隙率超声衰减法检测技术研究进展及应用肖鹏，刘卫平，刘奎(上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海200436)[摘要】介绍了近年来复合材料孔隙率超声检测研究现状和国内外采用超声衰减法测量孔隙率的理论模型、检测结果，并对各种模型进行对比和分析；论述了国内外各航空制造商的孔隙率超声衰减法检测的工程检测方法，对复合材料孔隙率超声衰减法检测技术的发展及应用提出了研究方向。关键词：复合材料；孔隙率；超声检测；衰减法DOI：10．16080／j．issn1671-833x．2016．04．048肖鹏硕士，从事

2、复合材料超声检测技术研究。大型客机大量采用先进复合材料已成为航空领域重要的发展趋势。目前，波音777的垂尾、平尾、后气密框等均使用了复合材料，总重量占+基金项目：上海市科学技术委员会课题(dzll00300)。48航空制造技术·2016年第4期全机结构总重量的1l％，达9．9t；波音787的复合材料用量达到全机结构总重量的50％以上⋯，是世界上第一架采用复合材料机身、机翼的大型商用飞机；空客新推出的A350飞机中，复合材料用量高达52％，在A380巨型客机中，复合材料用量高达25％【2】o因此，科学评价复合材料结构质量与其可靠

3、性显得格外重要，是保证大型客机安全性的根本前提，而无损检测是保证飞机质量安全的关键技术。孑L隙率的无损检测就是其中有待继续研究和解决的关键问题之一。孔隙是碳纤维复合材料中最常见的微小缺陷，由于复合材料成型工艺的复杂性，造成复合材料结构件中的孔隙会不可避免地出现。孔隙的形成有两个主要原因：一是预浸料制作过程中树脂未完全浸润或铺贴时层间空气未完全抽出，此时形成的孔隙数量较多，且形状为扁圆形或长条形；二是固化过程中产生的挥发性物质，这时形成的孔隙数量较少，形状呈圆形，且尺寸较小，直径在几p．m到几百I．tm间【3】。评定孑L隙对材料

4、影响程度的定量指标是孔隙率。近年来，国内外学者对复合材料孔隙率进行了大量研究工作，主要有破坏性检测和无损检测两大类方法。破坏法主要包括水吸收法、密度法(酸蚀法、烧蚀法)和金相显微照相法等。形成了诸如ASTMD2734—2009【4】、GB／T3365—2008嘲等标准。但破坏法工序复杂、成本较高，且只能代表试样局部的孔隙率。无损检测以超声检测为主，超声波检测孔隙率的方法主要包括衰减法、声速法、声阻抗法[61等。其中，衰减法由于原理简单且受纤维影Dr句d,等优点而备受关注。本文将就超声衰减法检测孑L隙率的研究现状及应用情况展开分

5、析，对存在的问题进行探讨与总结，并对今后超声衰减法检测孔隙率提出相应的研究与应用方向。孔隙率超声衰减法检测理论研究现状衰减法以机械波在复合材料中的传播为物理基础，建立超声衰减与孑L隙率之间的理论计算模型。c。。posit。。№赫tru咖。砩l。。砌删吲复合材料无损检测技术1976年，MARTIN吲假设复合材料是各向同性的，材料内部的孔隙大小都是相等的均匀分布，每一个孔隙对超声波的衰减都是相互独立的，并且大小远小于波长，即形状不影响超声波的衰减。最后提出超声波衰减理论模型：。=等譬尸卯，(1)其中，a是材料的衰减系数，P是孔隙率

6、，a是孔隙半径，2是超声波波长，g是一个与纵波波速圪与横波波速％之比％有关的参数，即．4．40(2+3K)3w．．p==一斗-一斗-63。(4—9W)22军+婴。(2)3’16⋯7在与试验结果进行对比发现，孑L隙率<1．5％，能较好地吻合，但当孑L隙率较大时，理论与实际出现较大的误差，原因在于没有系统地考虑孔隙形状对超声波衰减的影响。在此基础上，1988年，HALE与ASHTON㈣综合考虑孔隙的大小、形状以及分布等情况，建立了理论模型：a=Af4p”P)2导／高，(3)l^一，J’其中，R是孔隙的最大半径，r是孔隙最小半径，考

7、虑当孔隙率<1．5％时，孔隙大都呈球形，故衰减系数为：a：孚譬f4a3p，(4)a2T可’＼叶7其中，．厂是超声波频率。当孑L隙率>1．5％时，孔隙大都扁而长，故衰减系数为：仅=AV4fP一0．015)(P-1．015)23尺7一r7⋯7fF—r3，L，J其中，f是孑L隙的厚度。试验结果表明，该理论模型与试验取得了较好的吻合。1995年，JEONG和IM阻1川将复合材料孔隙率测定公式归纳为经验公式：P=Consf詈，(6)其中，常数Const由材料中孔隙的形状和分布决定，并将声速变化与孔隙率联系起来，得出：P：Consf掣，(

8、7)其中，y为波速，△V为波速的变化量。常数Const由材料内部结构和孔隙形状与分布决定，实际检测中，可采用破坏性方法对常数Const进行标定，然后用公式来计算材料的孑L隙率。综上所述，孔隙率与衰减系数丽da有着良好的线性关系。只要能测量出材料的常数Const，便能根据信号的