纤维增强复合材料声学性能检测方法研究

利用超声脉冲反射法直接测量材料声学性能的原理和方法,对声速、声阻抗和衰减系数等进行测量,并对影响材料的声学性能测量的因素进行了探讨,说明了纤维增强树脂基复合材料声学参数的测量方法,实验结果表明：基于超声检测原理,将超声波发射接收电路与数字化技术相结合,采用脉冲回波反射法是测量纤维增强树脂基复合材料声学性能的有效方法．只要测量条件选择适当,可以准确地测量材料的声学性能。     

基于超声波水浸点聚焦探头测量材料弹性模量的方法

弹性模量是表征与评定材料力学性能的基础,本文基于超声波斜入射至异质界面时的波型转换原理,提出了测量材料弹性模量的方法.当超声纵波以小于第一临界角的角度入射至材料时,可在材料的底面和水的界面产生反射纵波与反射横波.通过计算材料表面回波与反射纵波、反射横波之间的声时差,并结合材料的厚度值可计算得到材料的纵波声速与横波声速,进而获得弹性模量与泊松比的数值.本文对厚度约2 mm的轧制铝和镍试样进行了超声测量,结果表明:弹性模量、泊松比的测量值与理论值之间的相对误差分别小于2%,6%.     

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。     

应用超声声压透射系数谱反演薄板的弹性模量

基于超声波在层状介质中传播规律,建立理论声压透射系数Tp与材料弹性模量E的相关性.采用超声水浸技术测定微米厚薄板的双透射信号,通过信号分析获得实验声压透射系数Te,应用非线性最小二乘法反演薄板的弹性模量,并与声速法测量得到的弹性模量进行比较.结果表明:将反演的弹性模量代入到Tp中,发现在有效频带范围内Tp与Te吻合较好;反演获得的弹性模量值与声速法测定结果较接近,偏差介于1.4%和8.2%之间;实验证明了该方法可作为薄层材料弹性模量检测方法的一种补充.     

基于小波变换的激光超声信号处理研究

激光超声是利用激光照射在媒质中产生的一种超声波,与传统的压电技术相比,它具有非接触,宽带,能定量检测以及时空分辨率高等特点,现已广泛用于材料的无损检测[1,2,3],然而,在对超薄材料的声速的测量中,需要精确测量直达波和回波的时间间隔,但由于受激光超声本身,声传播介质,传感器和测量系统等多种因素的影响,所采集的信号往往是比较复杂叠加波形,如何从中提取有用的波形信息,是测量超薄材料声速的关键.     

超声相控阵延迟时间的声速校正及在复合材料中的检测

针对复合材料各向异性会导致声速随声波传播方向变化的现象,提出一种沿声波传播方向对相控阵延迟时间进行声速校正的方法.采用时域有限差分数值仿真方法分析相控阵超声波束在复合材料中的传播特性,验证提出的声速校正方法.搭建相控阵超声检测系统,对碳纤维增强树脂基复合材料平板试样进行检测实验,结果可见声速校正后近表面区域信噪比和缺陷检出率明显提高.研究表明所提出的相控阵延迟时间声速校正方法可缓解相控阵超声波束扩散,提高各向异性材料检测能力.     

仿生皮肤等效材料超声波测试方法的研究

为评定汽车安全碰撞实验模拟人的皮肤肌肉等效复合材料的力学特性,提出仿生皮肤等效材料的超声检测方法。通过测试仿生皮肤等效材料对超声波声速、衰减、散射和吸收率的变化,建立仿生皮肤等效材料力学性质与超声回波信号频率之间的关系模型,对仿生皮肤等效材料的弹性模量、组织特性、粘弹性和松弛模量进行等效性的分析与评定。对3种不同密度的仿生皮肤等效材料的声速、弹性模量和声衰减等参数进行了测算,结果表明:该测试方法正确可行,测试数据为仿生皮肤等效材料的设计合成、制备提供力学参数依据,对仿生材料的力学等效性能评定有着重要的参考价值。     

超声波声速测量的谱分析技术

超声波声速测量的谱分析技术只需要产生和接收一次脉冲超声波,对超声波透射信号进行谱分析,即可得到材料声速,可以测量厚度较薄材料的声速,并且该技术可以广泛应用于自动化测量中。该技术既可应用于固体,也可应用于液体的声速测量。通过对铝板和钢板进行测量,并运用快速傅立叶变换和自回归模型进行谱分析,实验结果与理论分析结果一致。     

压铸态SiCw/6061Al复合材料中弹性模量的不均匀性

借助图象仪与扫描电镜联机系统，测量压铸态SiCw/6061Al复合材料中的晶须取向分布。基于剪滞后模型及晶须的实际分布情况，分析复合材料弹性模量的不均匀性，采用超声声速法，测量复合材料的弹性模量。结果表明，压铸态复合材料中晶须在垂直压铸方向具有一定择优取向性，晶须体积分数越高其择优取向程度越明显，从而造成复合材料各向弹性模量的不均匀性，试验结果与理论计算基本吻合。     

声学法测量复合绝缘子弹性常数

提出了一种实用的声学法测量复合材料弹性常数的方法.依据复合材料中声波速度与材料弹性常数之间的本构关系,测量不同传播方向的少数几个声速,就可以得到其弹性常数矩阵.以复合绝缘子为测量样品,为提高测量横波的精度,根据超声波在边界上的波型转换条件,使用常规纵波探头对由掠入射纵波产生的横波进行测量.     

Thermoviscoelastic Excitation and Propagation of Rayleigh Waves in Viscoelastic Plates by a Pulsed Laser

According to thermoviscoelastic theory, the relations of laser-generated Rayleigh waves in viscoelastic plates with thermophysical and viscoelastic properties are investigated quantitatively. The displacement spectra are calculated in the frequency domain using the finite element method, and the temporal displacement waveforms are obtained by applying inverse fast Fourier transforms. And then, the effects of the laser parameters, including the laser spot radius, pulse rise time, and optical penetration depth, on the propagation of laser-generated Rayleigh waves are studied. In addition, the influence of the increase of each elastic modulus and viscous modulus of the viscoelastic plates on laser-generated Rayleigh waves is investigated in detail.     

低弹钛合金弹性模量的无损评价

以掠入射纵波法研究了超声波在Ti6Al4V合金和Ti27Nb8Zr时效样品中的传播速度,推算其弹性模量,并与拉伸法获得的弹性模量进行比较.结果发现:两种方法测得的数值较为接近,相差仅为3.6%,表明掠入射纵波法实现低弹钛合金弹性模量的无损评价是可行的,这为小尺寸稀有合金样品弹性指标的评价提供了极有价值的测试方法.应用该方法进一步考察了时效温度对Ti18Nb7Zr弹性模量的影响,结果表明:随着时效温度的升高,弹性模量E,切变模量G,体弹模量K分别增加11%,10%和6%,泊松比σ仅下降了1.2%.分析认为:弹性模量的变化与合金的组织由层片状的β+α向弥散分布的α相和β相的转变密切相关.     

用超声导波幅度谱方法评价复合材料板材疲劳损伤的数值研究

基于超声导波的频散方程及位移场表达式, 对单向碳纤维/ 环氧复合板中传播的超声导波的幅度谱进行了数值研究, 得到了能全面、直观反映复合材料板材疲劳损伤程度的超声导波幅度谱的灰度图。数值分析表明,当复合材料板材承受拉伸或弯曲载荷时, 其等效杨氏模量或等效剪切模量的变化率, 与超声导波幅度谱的灰度平均值之间存在单调的对应关系。采用超声导波的幅度谱方法可望能有效定征复合材料板材的初期疲劳损伤。      

Nondestructive Testing of Thermal Shock Resistance of Cordierite/Silicon Carbide Composite Materials after Cyclic Thermal Shock

Two different types cordierite/silicon carbide composite ceramic materials (KS 50 and KZ 50) were used for this investigation. Both materials were exposed to the water quench test from 950°C, applying various numbers of thermal cycles. When refractory samples are subjected to the rapid temperature changes crack nucleation and propagation occurs resulting in loss of strength and materials degradation. The formation of cracks decreases the density and elastic properties of material. Therefore, measuring these properties can directly monitor the development of thermal shock damage level. Dynamic Young modulus of elasticity and strength degradation were calculated using measured values of ultrasonic velocities obtained by ultrasonic measurements. Level of degradation of the samples was monitored before and during testing using Image Pro Plus program for image analysis. The capability of ultrasonic velocity technique and image analysis for simple and reliable nondestructive methods of characterization was presented in this investigation. It was found that both composite materials exhibit good thermal shock resistance.     

基于超声波测试的片岩单轴抗压强度预测模型

岩石单轴抗压强度是岩土工程中最基础、最重要的参数之一,建立其快速、方便、经济的预测方法一直是岩土界的研究热点。为了获取片岩单轴抗压强度的预测模型,基于超声波试验和单轴压缩试验数据,对福建某矿山的片岩岩样分别开展了单轴抗压强度与纵波波速、横波波速、纵波模量、横波模量、动弹性模量和静弹性模量的回归性分析,并各自建立了线性、对数、多项式、指数函数和幂函数5种回归模型。分析表明,除了动弹性模量以外,其他参量都易受空间变异性和各向异性影响,不适合用于片岩单轴抗压强度的预测。最终,通过拟合度、所包含参量、量纲平衡、测试方法以及显著性分析,确定基于动弹性模量建立的线性回归模型是最合理、可靠、方便的片岩单轴抗压强度预测模型。研究成果可为开展岩石单轴抗压强度预测的相关理论研究和工程应用提供参考和帮助。     

The effect of heat treatment on Young's modulus,damping, and microhardness of SiC/Ti-15-3

Mechanical and physical properties of a laminated, continuous SiC-fibre-reinforced Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (Ti-15-3) composite were analysed. The dynamic elastic modulus and damping of specimens with both unidirectional and cross-ply laminates were measured with the PUCOT (piezoelectric ultrasonic composite oscillator technique). The values of density, elastic modulus, and damping were evaluated with respect to heat treatment of the specimens. Metallographic examination was also done on the specimens to assess any changes in the microstructure in terms of changes in the mechanical or physical properties.     

The designable elastic modulus of 3-D fabric reinforced biocomposites

The three-dimensional (3-D) carbon fiber fabric is used to reinforce a hydroxyapatite (HA)/epoxy biocomposite. The elastic modulus calculation of the 3-D fabric reinforced composite by the stiffness average method and the finite element method shows that the elastic modulus of the composite is designable, and can be adjusted to the range of a human cortical bone (7-30 GPa) by varying the micro-structural parameters of the woven fabric to fulfill the nonisotropic requirement of the composite implants. The calculated elastic modulus is comparable with the flexural modulus of the 3-D fabric reinforced composites prepared by resin transfer molding. The incorporation of HA has decreased the flexural modulus of the composites for the weakened fiber-matrix interface, but the flexural modulus (22-36 GPa) is still close to that of the human cortical bone, which favors the avoidance of ‘stress shielding’ and the sequent bone absorption caused by implant materials with a high elastic modulus.     

超薄单向纤维增强复合材料低频多模式超声兰姆波定征方法

提出低频多模式超声兰姆波定征方法来估计超薄层状单向纤维增强复合材料的密度、厚度、弹性常数等参数。这里"超薄"的概念是指材料厚度h远小于材料中的声波波长λ,导致在时域上材料前后界面的各次回波信号相互混迭。分析了沿平行和垂直于纤维两个方向上,在超薄层状单向纤维增强复合材料中传播的低频兰姆波色散特性,提出在最小二乘意义下以材料色散曲线为基础的反向算法对材料参数进行了估计。文中分析了影响估计准确性的各种因素,研究了该方法对材料参数的灵敏度及其在误差传递中的意义。结合超声漏兰姆波频域分析方法,并使用超声耦合剂耦合方式和一对中心频率为2MHz的宽带纵波换能器,实验结果证实,该方法能够准确估计h<0.05 λ的单向玻璃纤维增强双酚A型聚砜(PSF)复合材料的材料参数。