孔隙对碳纤维增强环氧树脂复合材料超声衰减系数及压缩性能的影响

孔隙对碳纤维增强环氧树脂（CF/EP）复合材料的力学性能和破坏模式有显著的影响,因此需要建立准确的孔隙率无损检测评估方法,并基于所评估的孔隙率提高CF/EP复合材料压缩性能预测的可靠性。本文主要研究了孔隙对CF/EP复合材料的超声衰减系数和压缩性能的影响,通过降低固化压力至0.7~0.2 MPa和延长预浸料室温贮存时间至30~180天的方法,制备了不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板,通过金相验证其孔隙率在0%~3.0%之间,孔隙类型主要为层中孔隙和层间孔隙。通过理论和试验的方法,基于超声反射法建立了孔隙率与超声衰减系数的关系曲线,由孔隙引起超声衰减系数为α_v=1.08P_v2(P_v为孔隙率),与前人基于超声穿透法所得的超声衰减系数α_v=0.61P_v2较好地符合2倍声程的关系。对不同孔隙率的CF/EP复合材料层压板进行压缩测试实验,特别考虑了贴片和加载方向对测试结果的影响。从细观角度研究了含孔隙的CF/EP复合材料层压板的压缩破坏模式。结果表明:CF/EP复合材料层压板的压缩强度随孔隙率增加而下降,孔隙率增加至2.5%时,压缩强度下降13.7%,孔隙细观特征影响压缩破坏的形式,主要原因是孔隙诱发微裂纹的萌生和扩展,削弱了纤维与树脂间的结合力并引发纤维微屈曲。      

C/SiC复合材料空气耦合超声检测数值模拟

针对高孔隙率C/SiC复合材料空气耦合超声检测,引入考虑孔隙形貌的随机孔隙模型开展数值模拟研究。结合力学和声学性能测试计算材料弹性刚度矩阵,借助组织分析建立考虑孔隙微观形貌、孔隙率分别为5%、10%、15%的随机孔隙有限元模型,研究了空气耦合超声透射法检测过程中超声波传播特征及典型缺陷的响应规律。结果表明:材料纵波声速约2830 m/s,横观各向同性五个独立弹性常数分别为158.149、88.589、34.141、15.288和13.793 GPa。孔隙呈长条状,随孔隙率增加,超声衰减逐渐增大;孔隙尺寸与波长的比值约在0.05~0.22范围,主要为瑞利散射机制。高孔隙率、复杂孔隙形貌显著影响超声波的传播过程,导致个别条件下声场指向性发生偏转,影响缺陷检测。当分层缺陷长度由0增加到25 mm时,接收信号幅值衰减增大,与无分层模型相比最大衰减增加33.9 dB。随着复合材料层板厚度的增加,超声衰减进一步增强,声场也将产生一定偏转,主要体现孔隙和分层的共同作用。计算结果与实验吻合较好,为高孔隙率C/SiC复合材料的高质量无损检测提供支撑。      

考虑界面层和孔隙的SiCf/SiCm复合材料热膨胀性能研究

以三维四向编织SiCf/SiCm复合材料为对象,建立基于周期性边界条件、包含界面层和孔隙的复合材料单胞有限元模型,模型细观结构与工业CT扫描结果一致。计算了材料各个方向的热膨胀系数,发现界面层对纤维束热膨胀系数的影响不可忽略,基体孔隙位置的随机分布对热膨胀系数计算结果没有影响,孔隙率的增加会引起系数的显著减小,对胞元的热应力分析表明纤维束上的热应力水平大于基体。通过自由膨胀加温试验对材料纵向热膨胀系数进行了测定,在室温至1100℃区间内热膨胀性能稳定,试验结果与预测值符合较好。可为含界面层和基体孔隙的三维编织复合材料及其他多孔复合材料热膨胀性能研究提供理论基础。     

含孔隙碳纤维复合材料的超声衰减模型

从碳纤维复合材料孔隙率的超声脉冲检测原理出发,在假设其它缺陷的影响已在定性分析中排除、或以当量及修正的方式引入的前提下,对于根据孔隙直径适当给定的检测频率,建立材料的超声衰减模型,并导出超声衰减系数与材料和孔隙缺陷的主要参数之间的理论与统计关系,为建立新的检测方法提供理论支撑,改变现有检测方法的检测结果与理论模型的不一致现象.其中作为中间结果之一所建立的碳纤维声衰减模型及相应导出的声衰减系数与碳纤维含量和碳纤维半径之间的关系,不仅可服务于本文的直接应用目标,而且对于基于超声衰减原理的纤维增强复合材料无损检测的其它方面也具意义.作为中间结果之二所建立的分布孔隙率超声衰减模型,考虑到材料中的孔隙按其半径分布,而不同半径范围的孔隙表现出相异的声衰减特性这一实际情况,在由单一半径孔隙率声衰减模型导出的理论关系中引入了孔隙率与孔隙半径相关关系的统计特征,由此给出了更符合材料实际情况的修正模型和求解关系式.     

C/C-SiC缎纹编织复合材料孔隙缺陷的建模及其拉伸性能仿真

主要研究了随机孔隙缺陷在C/C-SiC缎纹编织复合材料中的有限元建模方法及其对拉伸性能的影响。基于C/C-SiC缎纹编织复合材料的细观结构和实验观察所得的微观形貌,得出孔隙缺陷具有随机分布特征,提出了一种三维随机碰撞算法模拟孔隙在复合材料中的分布,建立了含随机孔隙缺陷的C/C-SiC缎纹编织复合材料的有限元模型。采用有限元软件ABAQUS模拟了其在拉伸载荷下的力学行为,讨论了孔隙缺陷的尺寸和分布形式对材料拉伸性能的影响,并对试样进行了单轴拉伸实验测试,验证了数值模拟的有效性。结果表明,用本文方法建立的有限元模型符合含孔隙缺陷C/C-SiC缎纹编织复合材料的真实细观结构,相应的数值模拟结果也与试验数据吻合较好。本文的研究结果为含孔隙缺陷的缎纹编织复合材料及具有相似结构特征的复合材料的力学分析与优化设计提供了一种有效的方法。      

碳纤维复合材料孔隙率超声衰减测试研究

探讨和分析了碳纤维复合材料孔隙率检测的各种方法以及理论方面的研究,指出材料内部孔隙形状与孔隙含量存在着相关性,孔隙含量超声衰减测量应考虑孔隙形貌因素,超声波频率因素对超声衰减孔隙含量测量存在着影响,不同频率超声波影响着超声衰减孔隙含量计算公式的具体形式,复合材料孔隙率检测的难点在于破坏性实验及孔隙特性不能与实测中超声信号充分点点对应,不能有效充分考虑孔隙特性,提出了一种基于孔隙特征的多分段拟合孔隙率超声衰减测试方法,并以一简单例子对多分段拟合结果进行了分析.     

孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响

混凝土内部随机分布的微裂纹和孔洞等细观缺陷影响其破坏机理及宏观力学性能,且孔隙率随着外荷载的变化而不断变化。该文中将含缺陷(微裂纹、各种空隙等)混凝土复合材料简化为空心球力学模型,基于弹性力学理论推导并获得了混凝土当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系;推导并得到了含孔隙混凝土的有效弹性模量、有效泊松比及峰值应变等与孔隙率的定量关系,进而得到了单轴加载条件下含孔隙混凝土细观单元的等效多折线本构关系模型。最后,采用细观单元等效化力学模型,研究了单轴加载(拉伸和压缩)情况下不同孔隙率混凝土材料的破坏过程及宏观力学性能,探讨了孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响。     

CFRP随机孔隙模型及孔隙率超声检测数值模拟

基于炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)随机孔隙模型,提出采用时域有限差分法对CFRP孔隙率超声衰减检测进行数值模拟。针对孔隙率P=0.065%~4.96%,厚度2mm,纤维质量分数69%±3%的多层预浸料热压成型炭纤维单向增强环氧树脂基复合板,进行了数值模拟与实验测试。所得到的CFRP孔隙率与超声衰减系数间关系,在模拟与实验中展现了相似的规律。结果表明:利用随机孔隙模型结合时域有限差分法进行CFRP孔隙率超声检测数值模拟具有可行性。     

孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料等效弹性性能的影响

弹性常数是工程材料结构设计的重要参数。为了研究孔隙缺陷对三维编织C/C复合材料弹性性能的影响,考虑了纤维增强相、基体相和界面相的孔隙缺陷,建立了孔隙缺陷随机分布的纤维丝尺度和纤维束尺度的双尺度单胞模型,采用均匀化方法预报了含孔隙缺陷的三维编织C/C复合材料等效弹性常数,预报结果与实验结果吻合良好。在此基础上研究了孔隙率的影响,结果表明:(1)孔隙率对材料弹性常数有着显著影响,当孔隙率为10%时,材料轴向和径向拉伸模量分别减小11.17%和12.30%,面内和面外剪切模量分别减小11.28%和29.74%,面外泊松比减小29.32%,而面内泊松比增大0.26%;(2)基体相孔隙率对材料弹性常数的影响总体上呈线性,纤维增强相、界面相孔隙率的影响呈非线性,且组分相孔隙率的影响大小为:纤维增强相>基体相>界面相。本研究结果可为此类材料结构精细化设计和工艺优化提供参考。     

碳纤维复合材料孔隙率超声声阻抗法检测

基于复合材料孔隙率与材料密度、超声波纵波声速之间的内在联系,采用超声水浸底波反射回波法,利用5 MHz平探头测量碳纤维单向增强复合材料超声声阻抗。借助金相显微镜测试复合材料孔隙率,并利用实验进行参数标定后,建立了超声声阻抗与碳纤维增强环氧树脂复合材料孔隙率P的经验公式。对0.03 %≤P≤2.21%同批复合材料试样进行实验验证,发现声阻抗法测量结果与金相法测量结果相符。利用该方法测量孔隙率,无须测量材料声速和密度,且测量结果受孔隙形貌影响较小,易于实现,在复合材料孔隙率无损检测方面具有可行性。     

内埋中空纤维法制备复合材料孔隙率标准试块的超声衰减特性

采用50D中空涤纶长丝埋入复合材料,模拟复合材料的孔隙,制备孔隙率标准试块。通过制备三种厚度(1.5,3.0和5.0mm)和五种孔隙率(0~5.76%)的碳纤维增强环氧树脂复合材料,采用超声C扫描测定不同孔隙率下复合材料的超声衰减,并和波音公司的标准试块进行了对比。研究了涤纶排列密度和在厚度方向上的排列位置对复合材料超声衰减的影响。结果表明,制备的标准试块和波音公司标准试块具有良好的一致性,用涤纶中空纤维模拟复合材料的孔隙率是可行的;随着涤纶排列密度的增加,孔隙率增加,超声衰减增加;在孔隙率不变的情况下,涤纶分布在不同的厚度位置上时,其复合材料的超声衰减基本一致。     

基于仿真方法的CFRP复合材料孔隙率与超声衰减系数的关系

为从超声衰减机制角度解释碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料孔隙率P与超声衰减系数α之间呈非唯一对应关系的原因,针对厚度为2 mm的热压罐成型单向CFRP层板,建立了具有不同孔隙尺寸的CFRP模型（P=0.5%~3.5%）,并采用数值计算方法得到衰减系数α值。当孔隙横向尺寸D=56 μm,即归一化波数kD=2π D/λ <1（超声波波长λ ≈560 μm）时,α随P增大而缓慢线性增加;当D=93 μm（kD ≈ 1）时,α随P增大呈对数增长。仿真结果表明,超声波在含孔隙CFRP中传播时,随着归一化波数的不同,超声波衰减可能包括瑞利散射和随机散射两种机制,孔隙形貌的随机复杂性导致CFRP孔隙率与超声衰减系数之间呈现非唯一对应关系。     

RTM玻璃纤维/E51环氧树脂复合材料孔隙含量对超声特征参数的影响

在0.1~0.35 MPa的树脂注射压力条件下,制备了孔隙含量不同的玻璃纤维连续毡/E51环氧树脂的树脂传递模塑（RTM）工艺试件,采用超声法、金相法和密度烧失法测量试件的孔隙含量。讨论了孔隙含量随树脂注射压力变化以及孔隙含量对RTM玻璃纤维/环氧树脂复合材料超声参数和力学性能的影响规律。结果表明,树脂注射压力的变化对孔隙含量产生明显影响,注射压力由0.1 MPa增加到0.35 MPa过程中,玻璃纤维连续毡/E51环氧树脂复合材料的孔隙含量从9.95%减小至3.73%。超声特征参数随孔隙含量的增加呈近于线性递增,尤其是超声非线性特征参数的变化更加明显,超声特征参数的变化可评价复合材料孔隙含量。     

不同厚度碳纤维布/环氧树脂复合材料孔隙率超声衰减模型

复合材料中孔隙的存在造成了材料性能的下降,因此,对材料孔隙的检测至关重要。本文利用异丙醇(IPA)添加量的不同,制备了不同层数、不同孔隙率含量的碳纤维(CF)布/环氧树脂层合板试件。采用脉冲反射法测试计算了CF布/环氧树脂层合板试件的超声衰减系数,通过金相显微分析对孔隙的分布、形状及尺寸进行了表征,运用MATLAB对金相显微图进行分析得到试件的孔隙率。讨论了孔隙率对材料的声速、声阻抗及超声衰减系数的影响规律,利用4组不同层数样本试件的孔隙率和超声衰减量的试验数据,给出了基于模型的孔隙率与材料层数、超声衰减量的拟合公式。结果表明,随着IPA添加量的增加, CF布/环氧树脂层合板(2 mm)孔隙率从1.09%增加到4.16%,材料的声速和声阻抗均下降,超声衰减系数从2.51 dB/mm增大到5.34 dB/mm。孔隙率为1%时,厚度从2 mm (8层)增加到5 mm(20层),衰减系数增大了0.54 dB/mm。     

玻璃纤维复合材料孔隙率对超声衰减系数及力学性能的影响

在0.1~0.6 MPa热压压力条件下, 制备了不同孔隙率含量的玻璃纤维布/618环氧树脂层压板试件。采用超声C扫描及烧蚀密度法测定了试件的超声衰减系数与平均孔隙率, 并通过金相显微分析对孔隙的分布、 形状及尺寸进行了表征。讨论了孔隙率对层压板拉伸、 弯曲和层间剪切性能及超声衰减系数的影响规律, 获得了使力学性能下降的临界孔隙率及衰减系数值。结果表明, 随着固化压力减小, 孔隙率从0.976%增加到5.268%, 抗拉强度、 弯曲强度和层间剪切强度均下降, 衰减系数由1.460 dB·mm^-1增加到2.150 dB·mm^-1, 使力学性能下降的临界衰减系数约为1.5 dB·mm^-1。     

基于数值计算方法的CFRP层板二维细观形貌多孔隙超声散射衰减

针对超声波在含有多孔隙的复合材料中传播时,邻近孔隙超声散射波之间相互作用和散射衰减机制尚未澄清的问题,对孔隙率为7.47%的碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）采用时域有限差分方法进行数值计算,对比研究了CFRP层板中不同尺寸范围二维真实形貌孔隙及圆形孔隙对应的超声散射衰减系数。结果表明,对于横向尺寸m≤λ/8、λ/8_s普遍小于真实形貌孔隙的α_s。对于孔隙横向尺寸满足m<2λ/3的情况,大尺寸孔隙以及长条形孔隙的存在,整体上会使超声波散射衰减加重。     

孔隙率对碳纤维复合材料超声衰减系数和力学性能的影响

复合材料的工艺过程对最终产品的力学性能具有决定性影响,但其机理十分复杂。通过设置一系列固化压力历程以产生不同水平的孔隙率,采用超声C扫描、显微镜分析和酸解法对孔隙的分布、形状、尺寸和体积含量进行了定性和定量表征。讨论了孔隙率对层压板层间剪切性能、弯曲性能和拉伸性能的影响规律,获得了性能下降的临界孔隙率值。结果表明:孔隙率对性能的影响只受孔隙含量、分布、尺寸和形状等的影响,而与产生方式没有直接联系。本文作者的研究将工艺参数、孔隙率和性能有机地联系起来,体现了复合材料设计、制备与性能一体化的特点。      

碳纤维复合材料对超声衰减的频域分析

采用反射法对两组不同碳纤维复合材料试块进行了超声检测, 并用快速傅立叶变换( FFT) 方法分析了信号的频域特征。结果表明: 超声衰减系数与频率之间存在线性关系, 而且其斜率随孔隙率的增大而增大。孔隙对超声波的衰减作用使超声信号的峰值降低、频宽变窄且使中心频率降低。超声信号矩心频率的偏移与孔隙率之间、超声衰减率与孔隙率之间均呈线性关系。频域内的特征量与孔隙率之间的线性关系为建立正确的孔隙率频域检测模型提供了基础。