碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法.pdf

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1、航空学报Nov252016V01．37No．113512．3519ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．educnDOI：10．7527／S1000—6893．2015．0324碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法魏莹莹1，安庆龙1，蔡晓江2，陈明1’*1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海2002402．上海航天控制技术研究所，上海201109摘要：由

2、于碳纤维增强复合材料(CFRP)具有各向异性的特点，在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷，而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大，因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料的有效应用具有重大意义。从分层缺陷的形成机理出发，通过对现有分层缺陷的检测以及评价体系的分析，提出了基于高频超声扫描显微镜(SAM)来进行分层缺陷检测评价的三维体积分层因子评价方法，并针对T800／X850碳纤维单向层合板对该方法进行了定征试验，最后通过对实际加工孑L的分层缺陷的评价

3、，综合对比了三维体积分层因子评价方法与传统评价方法的应用效果。结果表明：分层缺陷是由力热耦合引起的层间粘结失效，出口处更为严重；用超声扫描显微镜检测分层，可检测不少于8层的碳纤维复合材料，至少可以清晰表达6层的内部分层特征；分层会发生隔层传播，并且两个相邻铺层为同向的层间结合强度最好，不易产生隔层传播；三维体积分层因子可以更准确清晰地评价复合材料层合结构的内部缺陷。关键词：碳纤维增强复合材料，钻孔缺陷；分层机理；高频超声扫描显微镜；分层因子中图分类号：V254．2；THl45．9文献标识码：A文章编号

4、：1000—6893(2016)11—3512—08伴随着全球航空工业的快速发展，以及整个工业制造大环境对安全、经济、环保的要求，碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPlas—tics，CFRP)由于其比强度高、比模量高、耐腐蚀以及可设计性强等诸多优点口_6]，逐步代替传统的铝合金、高强钢等金属材料而成为主要的航空结构件材料。在诸多制孔加工缺陷中，分层对制孔质量有着致命的影响。据统计在飞机装配中，CFRP构件的不合格产品中有超过60％是由于钻削导致的分层缺陷[7剜。因此，准确

5、地描述和评价分层缺陷是进行CFRP表面质量研究的重要内容，也是实现CFRP高效、低缺陷制孔加工的基础。由于分层缺陷发生在CFRP内部的层与层之间，相对于金属的缺陷来说，更不容易直接观察和检测n0。”]，尤其是当分层发生于更靠近材料内部时，即使将孔进行剖切也不易找到分层缺陷的位置。目前，针对CFRP分层评价常用的检测方法有光学检测、渗透检测、常规超声c扫描探伤检测、工业CT检测和红外热波检测[1引。但它们或不能有效地描述层合板内部的分层情况，如光学检测、渗透检测和红外热波检测；或虽能描述分层内部的分层情

6、况，但不能满足精度要求，如常规超声C扫描探伤；或成本较高经济性较低，如工业CT。高频超声扫描检测技术是一种精度很高的无损检测方法，可以利用其检测样品内部的缺收稿日期：2015．10—19；退修日期：2015-11—16；录用日期：2015—11-30；网络出版时间：2015—12—0908：39网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／111929．V．20151209．0839．002．html基金项目：国家自然科学基金(51475298)；国家“863”计划(2013AA040

7、104)*通讯作者．Tel．：021—34206317E-mail：mchen@sjtu．edu．011礅用格武

8、魏莹莹，安庚龙．蔡晓江．等．碳鲆维复合材料超声扫籀分层检溅及评价方法[Jj．航空学报，2016，37(II)：3512-3519．WEIYy，AN0L，CAIXJ，eta1．OFRPultrasonicscandelaminationdetectionandevaluationmethodEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2016．37(11)

9、：3512-3519．魏莹莹，等：碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法陷(气孔、裂缝、分层和夹杂等缺陷)，并且在对判别样品密度差异、厚度检测、弹性模量、几何形状改变等方面均有一定的功效。超声扫描无损检测的基本原理是，利用换能器将电磁脉冲转换为特定频率(5MHz2GHz)的超声波脉冲，通过耦合介质(如去离子水、酒精等)到达样品，当声波信号在样品表面或者内部遇到如气孔、杂质、分层裂纹等声波阻抗时界面就会发生反射，换能器接收到反射信号后，会将其转化为电脉冲