CFRP复合材料孔隙几何形貌定量分析与研究

利用超声衰减法检测复合材料孔隙率得到了广泛应用,但该方法的理论分析与实测结果只适用于特定频率或特定孔隙率范围。原因之一是理论模型中引入的孔隙几何形貌假设与实际情况不符。采用热压成型法制备了孔隙率为0.03%～4.96%的碳纤维增强树脂（CFRP）试样。采用金相组织观察和定量统计分析方法,研究CFRP复合材料的孔隙长度L、等效宽度W和形状因子Rs等定量表征孔隙几何形貌参数的变化规律。结果表明：孔隙长度L和等效宽度W分别在10～350μm和10～100μm范围内;随孔隙率的增加,L和W增大,且L比W增大的幅度大;孔隙率由0.03%增加到4.96%,圆形和椭圆形孔隙的比例减少,不规则形孔隙的比例增加。该研究结果为建立准确的孔隙率超声衰减法检测模型提供了重要的试验依据。     

基于VC＋＋的超声信号处理与分析系统

建立了一个基于VC＋＋的超声信号处理与分析系统。该系统集信号采集、处理和特征参量的计算与提取，特征参量的统计与综合以及材料的表征和评价于一体，不但能够完成常规信号处理，而且能够对超声波信号进行全方位、多种类型的特征参量自动计算、提取与分析。用该系统对检测碳纤维增强复合材料（CFRP）孔隙率时的超声回波信号进行了处理和分析，提取了有效频带能量（ELFB）和主频对应的能量（EPF），并把它们与孔隙率之间的关系进行数值拟合，发现在拟合曲线上存在临界孔隙率的现象，为CFRP孔隙率检测提供了有效途径。     

固溶温度对GH4169微观组织形貌及超声特性的影响

对不同固溶温度的GH4169合金试样,进行了微观组织形貌观察,提取了晶粒尺寸、形状特征参数。采用纵波回波法和共线穿透法进行超声检测和非线性超声检测,计算合金的超声特性参数。提取的超声特性参数包括:衰减系数、声速、相对非线性系数、背散射信号(位于一次底波和二次底波之间)经验模态分解后固有模态函数的平均功率和波形指数。超声-微观结构参数对比分析的结果表明,通过衰减系数、声速、非线性系数可有效识别相变,衰减系数对晶粒尺寸波动敏感,随晶粒粗化而增大;所提取的固有模态函数平均功率和波形维数都可以对晶粒尺寸进行评价,但尚难以用于表征晶粒纵横比。     

考虑孔隙细观特征的热障涂层脱粘缺陷超声检测数值模拟

为探究孔隙细观形貌对热障涂层脱粘缺陷超声检测定量精度的影响,基于电子束物理气相沉积法制备的厚度约为100μm的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)热障涂层SEM形貌,建立了界面脱粘尺寸0.2~2.0 mm、孔隙率范围0%~5%、孔隙平均宽高比分别为4∶10、6∶10、8∶10和10∶10的多组热障涂层二维随机孔隙模型(Random void model,RVM),采用时域有限差分技术进行了超声检测数值模拟。结果表明:当涂层厚度一定时,涂层声压反射系数幅度谱极值与脱粘尺寸呈线性关系,脱粘尺寸超声定量误差随孔隙率和孔隙平均宽高比的增加而增大,当涂层孔隙率为5%时,超声测量最大相对误差已达到37.7%,孔隙平均宽高比增大为10:10时,超声测量最大相对误差达到36.9%。此外,由于受孔隙分布状态的影响,超声定量结果呈现出一定的波动性。     

复合材料孔隙形成机理、影响机制及实验表征（英文）

针对常见的复合材料孔隙问题,从机械夹杂形核理论与经典形核理论分析了孔隙的形成与影响机制,并通过具体实验对孔隙形貌、分布、大小进行了表征。结果表明:纤维浸润性差、蒸气分子的滞留及交联反应时的分子挥发是孔隙形成的主要原因;较低固化压力条件(0.0~0.2 MPa),对复合材料内部孔隙的消除作用不大,随固化压力提高,复合材料孔隙率及孔隙大小下降明显;孔隙率、孔隙大小与系统压力存在幂函数递减变化关系。     

复合材料孔隙形成机理、影响机制及试验表征

针对常见复合材料孔隙问题,从机械夹杂形核理论与经典形核理论分析了孔隙的形成与影响机制,并通过具体试验对孔隙形貌、分布、大小进行了试验表征,结果表明：纤维浸润性差、蒸汽分子的滞留及交联反应时的分子挥发是孔隙形成的主要原因;较低固化压力条件（低于0.2MPa）,对复合材料内部孔隙的消除作用不大,随固化压力提高,复合材料孔隙率及孔隙大小下降明显;利用数学拟合方法,得到孔隙率、孔隙大小与系统压力之间存在三次幂函数递减变化关系;本文为复合材料在制造过程中的工艺优化设计提供了理论与试验支撑。     

基于随机介质理论的复合材料孔隙二维形貌几何仿真

含孔隙复合材料具有非均质性和各向异性。根据随机介质理论,采取统计学方法,将孔隙看作是小尺度上的随机扰动,叠加于由基体构成的大尺度背景介质平均特性之上,并利用空间平稳随机过程以及自相关长度、自相关长度比、粗糙度因子及扰动标准差等参数加以描述,建立复合材料随机孔隙模型。该模型采取极值搜索法将连续随机介质改造为适合于描述含孔隙缺陷的离散介质,并依据不同孔隙率试样的孔隙形貌特征统计数据对其进行优化。针对孔隙率为0.03%~4.62%的碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）进行了模拟,结果表明：利用该模型能够得到具有与真实孔隙几何相似性良好的随机性孔隙形貌。     

航空用热收缩防护材料的超声评价

航空用热收缩防护材料是一种新型的功能高分子材料,应用越来越广泛。针对含有自然缺陷的热收缩材料试样,采用超声检测方法开展了该材料中的声速、声衰减测试试验以及典型缺陷的评价试验,并对缺陷区域进行了解剖及金相组织分析。试验结果表明:采用超声方法可对该材料进行检测,但缺陷可检性受材料厚度、形状和声衰减系数等条件制约;不同体系的热收缩防护材料的声衰减程度不同,含氟体系声衰减最大,改性烯烃体系声衰减居中,改性弹性体材料体系声衰减最小;材料中的宏观缺陷和微观孔隙均可通过超声技术得到有效评估。     

复合材料孔隙率的超声检测衰减系数影响因素

针对复合材料孔隙率检测需求,研究超声检测参数和被检测材料本身对超声检测衰减系数的影响,间接推断出衰减幅度的影响因素。开展了检测频率、探头类型、检测水距、材料种类对复合材料声波衰减系数的影响试验。结果表明,检测频率越高衰减系数越大,探头声束宽度越大衰减系数越大,不同材料体系的声衰减系数不同。     

SiC颗粒增强铝基复合材料中增强体含量的超声检测

通过理论分析建立了一种基于纵波声速评价SiC颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料中增强体含量及孔隙率的超声检测模型,随后采用粉末冶金工艺制备了增强体体积分数分别为10%,15%,20%,25%,30%的SiC_p/Al复合材料试样,实测纵波声速、增强体含量及孔隙率后建立了三者之间的关系曲线,最后利用实测关系曲线对标称体积分数为20%的SiC_p/Al复合材料试样中的增强体含量进行了推算。试验结果表明,实测关系曲线与模型计算得到的理论预测曲线具有良好的一致性,试样增强体含量超声检测的相对误差为5.2%,证明了该方法的可行性。该方法在检测增强体含量的同时考虑了孔隙率的影响,为先进金属基复合材料的无损检测提供了一种新思路。     

航空复合材料孔隙率的超声波衰减法检测

以国内自主研制的首款全机身复合材料某型号飞机使用的复合材料板试件为试验样品,采用超声脉冲回波法对其进行孔隙率无损检测。对采集的超声回波射频信号进行希尔伯特变换(Hilbert Transform),并进一步滤波后得到一次底波和二次底波的包络信号,进而计算相应的声衰减系数;结合金相法抽检获得实际的孔隙率含量,标定得到超声波衰减系数与孔隙率含量之间的经验公式;利用该经验公式对余下的同一批复合材料进行孔隙率检测,并将预测结果与随后进行的金相法检测结果进行对比。试验表明,这些结果具有很好的一致性,说明该方法具有一定的实用性。     

基于图嵌图卷积神经网络的复合材料缺陷定位

针对复合材料层合板结构缺陷的快速检测定位，提出了一种基于超声导波的复合材料缺陷检测图嵌图卷积神经网络模型(G-GCN)。G-GCN通过构建导波信号相互关系的时空特征高级表征图，由局部-全局变换构建局部图，以表征单个导波信号内的相互关系信息；再基于局部图构建全局图，表征多个导波信号之间的相互关系信息；然后利用全局图输入图卷积神经网络模型训练学习，输出相应的复合材料缺陷预测，实现极少量传感器条件下的快速精准缺陷检测与定位。最后搭建了超声导波复合材料检测试验平台，验证了G-GCN的先进性和可靠性。     

HIPIB辐照前后Cr2O3陶瓷涂层超声衰减特性研究

采用等离子体喷涂方法在不锈钢基体上制备了厚度为50μm的Cr2O3陶瓷涂层,借助强流脉冲离子束(HIPIB)对涂层进行辐照,改变了涂层中的孔隙率及微裂纹阵列分布。利用超声水浸聚焦方法获得了辐照前后涂层试样的回波信号及其反射系数谱。结果表明,辐照前后涂层材料中超声波衰减系数与频率之间的关系分别为α=0.28f 9.50×10-4f2 7.04×10-6f4和α=0.11f 2.10×10-4f2 8.73×10-6f4,数据拟合与实验结果相符,超声表征结果与陶瓷涂层横截面的SEM(Scome lectric microscope)基本一致。     

SUS304奥氏体不锈钢板点焊接头的超声成像分析

利用超声波水浸聚焦入射法对1 mm厚的SUS304奥氏体不锈钢板点焊接头进行超声C扫描成像检测.分析了不同焊接工艺参数下的C扫描图像特征,甄别了飞溅、焊穿等典型焊接缺陷,并提取其对应的A扫描信号.基于C扫描图像对焊核直径进行了测量,并与焊核切口端面尺寸进行了比较.结果表明,基于超声波水浸聚焦入射法得到的C扫描图像,能有效观测焊核内部形貌特征.焊接电流超过8 kA,电极力小于2 700 N时,超声波C扫描图像中清晰反映出飞溅、焊穿等缺陷,其对应区域的A扫描信号与正常熔核区波形特征有明显差异;借助超声C扫描图像测得的焊核直径为4.39~5.25 mm.     

铝质高压绝缘子超声无损表征

利用超声无损表征原理对烧成温度分别为1230℃、1260℃及1290℃的铝质瓷坯料样品进行了测试分析，讨论其组织状态随温度的变化情况。研究表明，与1230℃和1290℃的样品相比，超声波在1260℃的样品中声衰减系数较小、主频偏移小。分析认为，在陶瓷材料的组织成分稳定的情况下，声衰减系数的变化主要受孔隙率的影响，并随着孔隙率的增大，声衰减增大。SEM观察结果与超声分析结果相符合，说明超声回波功率谱分析用于铝质瓷材料的表征与评价是可行的。     

贵金属超薄镀层厚度的超声显微测量

超声检测作为一种无损检测技术逐渐被应用到金属镀层厚度的测量中,但在纵波超声的盲区范围内,超薄镀层的超声信号往往会与界面波信号发生强耦合,使得超薄镀层厚度信息难以被直接提取。因此,以超声显微测量为依托,创新出一个超声特征参量—频谱样本熵;并基于软测量的思路,在频谱样本熵和超薄镀层厚度之间建立映射关系,实现对贵金属镀层厚度的准确表征与预测。利用镀层厚度为百微米级的纯银镀金试样进行验证实验,结果表明:基于频谱样本熵的预测模型平均精度可达94.7%,优于传统超声特征分析方法,验证了新型量化表征方法的有效性。     

珠光体组织转变的非线性超声表征

珠光体的过度球化会导致材料力学性能的下降,常规线性超声检测技术对材料的组织变化不敏感。采用不同的热处理工艺对T8钢试样进行处理,得到不同球化状态的珠光体组织,并建立了珠光体组织转变的非线性超声测量系统,试验测定了相应的非线性参数β。结果表明,随着珠光体球化程度增加,声速和衰减系数无明显变化,而非线性参数β呈现显著增加的趋势,可对材料的组织演化进行表征。     

热障涂层X射线显微镜三维成像

以双层结构热障涂层为研究对象,采用三维X射线显微镜、图像处理技术研究了热障涂层的形貌、组成、厚度、孔隙及孔隙率等三维结构特征。采用三维成像方法获得了高分辨率的热障涂层层状结构CT图像,用三维分割与提取法得到了陶瓷隔热层、粘结层和基体的三维形貌,定量分析了厚度、孔隙尺寸、孔隙数量及孔隙率等热障涂层重要表征参数。结果表明,三维X射线显微镜厚度分析结果与扫描电镜分析结果基本一致,孔隙率受重建精度影响。     

管道衰减系数对超声导波检测距离的影响

采用磁致伸缩超声导波技术对管道衰减系数与导波检测距离的关系进行了研究,针对不同埋设环境、不同衰减系数的管道,合理评估导波检测距离及检测成本,减少复杂环境下导波检测性能降低导致的检测费用增加、检测工期延长等问题的出现,从而更加合理地编制导波检测方案。首先对衰减系数与检测距离的关系进行了初步探讨,根据检测缺陷大小和衰减系数可计算出导波的检测距离;然后分别对地上管道、半埋地管道、埋地管道进行导波检测。检测结果表明,高衰减对导波检测距离有强烈的影响,不同埋设环境的管道,导波的衰减系数及检测距离有明显的差异。     

成形方式与方向对TA15钛合金显微组织及超声参量的影响

为研究TA15钛合金成形方式与成形方向对显微组织以及超声参量的影响规律,进而明晰材料声学特性,以锻造和激光沉积制造TA15钛合金为研究对象,制备含有相同横通孔缺陷的相同规格尺寸检测试样,使用超声波无损检测设备对试样不同成形方向进行检测以获取试样缺陷处幅值、纵波声速和超声波衰减系数,并利用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对显微组织进行观测。结果表明:成形方式会对组织特征产生影响,进而影响超声参量;激光沉积制造试样组织各向异性明显,致使不同成形方向超声参量差异较大;双重退火态与沉积态试样相比显微组织中板条状α相长宽比减小,导致各向纵波声速平均减小167 m/s,衰减系数增大13%～20%;而双重退火态相比于锻造态试样,因其组织特征差异明显,致使X向与Z向纵波声速分别降低392与466 m/s,衰减系数分别增大39%、55%。研究成果对激光增材制件的超声波无损检测以及TA15钛合金材料内部缺陷的无损评估有一定参考价值。