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.     

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。     

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。     

含孔隙复合材料超声衰减分析的细观有限元模型

基于DIGIMAT/FE建立含孔隙复合材料细观模型,模型涵盖纤维、树脂和孔隙三相,有效反映了复合材料真实的微结构和细观材料属性,结合通用的ABAQUS/EXPLICIT对细观模型施加超声波激励。通过提取超声波在材料内传播云图,建立了单向连续纤维增强复合材料超声衰减和孔隙率的关系。以T800/环氧树脂复合材料体系为例,研究孔隙尺寸对超声衰减系数模拟结果的影响,并将数值模拟结果与解析模型得到的经验关系进行对比,验证了模型的有效性。该方法能够有效地指导实验过程,为降低复合材料孔隙率、提高其性能提供理论依据。     

CFRP中孔隙几何形貌与超声衰减系数关系的研究

通过金相和超声衰减系数表征CFRP层压板中的孔隙,研究孔隙形貌对超声衰减的影响。结果表明:超声衰减系数随孔隙几何形貌参数(平均长、宽、面积)的增大而增大;平均孔隙长度随孔隙率的增加程度大于平均孔隙宽度随孔隙率的增加程度;超声衰减系数随主要尺寸区域内的孔隙所占比例的增加,总体趋势减小;同一孔隙率下,大尺寸孔隙所占的比例越多,其超声衰减系数越大。总之,本试验中孔隙形貌对超声衰减有一定的影响且不能忽略。     

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。     

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。      

含孔隙碳纤维复合材料对超声波相速度的影响

用透射法对两组不同的碳纤维复合材料试块进行超声测量,采用相位展开法求得试块的相速度,并验证了Kramers-Kroning(K-K)关系式.结果表明,在一定频率下,孔隙对超声波相速度的色散作用随孔隙率的增大而增大.当孔隙率一定时,孔隙的色散作用随着频率的增加而减小,高频成份具有更高的相速度.分析结果还表明,相速度的改变与试块的孔隙率之间存在着良好的线性关系,有助于建立碳纤维复合材料孔隙率的超声检测模型.     

基于空耦换能器的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料激光超声检测技术

激光超声技术具有无需耦合剂、快速及高分辨等特点,适用于各向异性碳纤维增强树脂编织复合材料的缺陷检测。运用有限元法分析了激励位置和编织结构对激光点源激发超声波信号的影响,获得了弹性波在材料内部的传播规律以及能量分布特征,并采用1 MHz空气耦合换能器搭建了一套小型化、低成本的非接触激光超声C扫描成像系统,开展了斜纹和缎纹碳纤维增强树脂编织复合材料的近表微结构和内部缺陷检测实验。结果表明,基于空气耦合换能器的激光超声成像可以高精度地再现碳纤维增强树脂编织复合材料的近表树脂囊、碳纤维束形状、取向、尺寸及其内部缺陷等空间分布特征,有望为航空复合材料提供一种原位的微结构表征和缺陷检测方法。      

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。     

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。     

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测

为预测含孔隙复合材料单层板的弹性常数,以单向纤维增强复合材料单层板为研究对象,首先,基于细观力学方法,提出了一种基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测方法;然后,基于纤维排列和孔隙特征,建立了纤维-基体尺度的代表体元模型和含孔隙复合材料单层板的代表体元模型,并采用有限元方法求解弹性常数;接着,采用周期对称边界条件,在纤维-基体尺度先进行第1步等效,得到不含孔隙复合材料单层板的弹性常数;最后,在含孔隙复合材料单层板的代表体元模型上进行第2步等效,完成了含孔隙复合材料单层板弹性常数的预测。结果显示:应用该方法得到的计算结果与试验数据吻合较好;结合纤维、基体弹性常数及孔隙形态的模型,该方法可以反映各因素对复合材料单层板弹性常数的影响。      

A damage mechanics tool for laminate delamination

A simplified method based upon damage mechanics for the delamination analysis of carbon-resin composites is presented. In the neighbourhood of a laminate structure quasi-straight edge, damage is taken concentrated on the interface between layers. The finite element code EDA, acting as a post-processor of an elastic laminate shell computation, allows the onset and propagation forecast of delamination. First numerical simulations of delamination are given and compared with experimental results from literature.     

Effect of the SiC particle size on the dry sliding wear behavior of SiC and SiC–Gr-reinforced Al6061 composites

The effect of size of silicon carbide particles on the dry sliding wear properties of composites with three different sized SiC particles (19, 93, and 146 μm) has been studied. Wear behavior of Al6061/10 vol% SiC and Al6061/10 vol% SiC/5 vol% graphite composites processed by in situ powder metallurgy technique has been investigated using a pin-on-disk wear tester. The debris and wear surfaces of samples were identified using SEM. It was found that the porosity content and hardness of Al/10SiC composites decreased by 5 vol% graphite addition. The increased SiC particle size reduced the porosity, hardness, volume loss, and coefficient of friction of both types of composites. Moreover, the hybrid composites exhibited lower coefficient of friction and wear rates. The wear mechanism changed from mostly adhesive and micro-cutting in the Al/10SiC composite containing fine SiC particles to the prominently abrasive and delamination wear by increasing of SiC particle size. While the main wear mechanism for the unreinforced alloy was adhesive wear, all the hybrid composites were worn mainly by abrasion and delamination mechanisms.     

球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能

研究了球形孔通孔和闭孔泡沫铝合金在1 MHz～10 MHz的超声衰减性能.结果表明:泡沫铝合金的超声衰减性能决定于其孔结构;通孔泡沫铝合金的超声衰减系数α随着孔径d的减小、孔隙率Ps减小和比表面积Sv的增加而增大;闭孔泡沫铝合金的超声衰减系数α随孔径d的减小、孔隙率Ps的增加和比表面积Sv的增加而增大;当孔径d、孔隙率Ps相近时,闭孔泡沫铝合金的超声衰减性能优于通孔泡沫铝合金;在1 MHz～10 MHz二者是具有良好阻尼性能的轻质材料.其衰减机制为在弹性范围内超声应力波在具有大量孔隙界面的泡沫铝合金中的衰减.     

含紧固件复合材料层压板雷击后损伤及力学性能退化试验

以含金属紧固件编织结构碳纤维/环氧树脂复合材料层压板为研究对象,通过人工模拟雷电流试验,并结合目视观察、超声损伤扫描、微米X射线三维成像及高倍显微镜等损伤检测手段,对其在雷电流直接效应作用下的损伤模式、机制及特征进行了分析,同时,采用材料力学性能试验系统,对其雷击后的静拉伸承载能力退化程度进行了评估。研究结果表明：由金属紧固件引起的"雷电流分散效应"导致含紧固件复合材料层压板雷击损伤以分层损伤为主,且损伤沿层压板整个厚度方向分布;雷击损伤的产生存在一个雷电流强度门槛值,当雷电流强度小于该值时,层压板不会出现损伤;紧固孔周围的雷击损伤在静拉伸过程中会产生"应力分散效应",导致含紧固件层压板静拉伸承载能力随雷击峰值电流的增加先提高后下降。