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。     

碳纤维复合材料分布孔隙率的超声衰减检测方法

文中提出一种基于理论建模与实验标定的碳纤维复合材料孔隙率超声衰减检测方法.此方法对包含超声波频率、树脂、碳纤维、按尺寸分布孔隙等的多种衰减影响作用在内的理论模型进行分析简化,而建立起检测模型,较好地解决了前人的理论模型与检测结果不一致问题,并使其方法本身具有适用意义.对相应导出的检测关系式通过破坏性实验标定,保证了本方法检测结果的可靠性.给出了一种标定检测关系式的实验方法,并对其精度进行了分析.通过实验分析,对所提出的方法进行了示例性实现,以表明此方法的可行性.     

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.     

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.     

短碳纤维增强铝基复合材料孔隙率的研究

阐述了搅拌铸造制备短碳纤维增强铝基复合材料孔隙率的测定方法,分析了复合材料中形成孔隙的原因,试验从复合温度、搅拌桨形状、搅拌速度、保温时间和碳纤维加入量等条件入手,研究了影响搅拌铸造制备铝基复合材料孔隙率的关键因素.结果表明:复合温度控制在760℃、采用平面搅拌桨、搅拌速度为1200r/min、保温30min可有效降低复合材料的孔隙率,提高复合材料质量.     

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。      

碳纤维复合材料 (CFRP) 孔隙的形态特征

对碳纤维复合材料内孔隙的微观形态进行了观察和图像分析,并对孔隙的形态特征进行了统计分析。结果表明,在碳纤维复合材料中孔隙大多发生在层间,而且会沿层间发展,孔隙的面积和长度都会随孔隙率的增加而增加。孔隙率越大孔隙的宽长比越小,形状越细;而孔隙率越小孔隙的宽长比则越大,形状更加接近圆形,而且分布比较分散。      

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.     

孔隙微观特征对碳纤维/环氧树脂复合材料横向拉伸强度的影响

通过有限元方法研究了相同孔隙率下孔隙的分布、尺寸和形状等微观特征对碳纤维增强环氧树脂复合材料单向板横向拉伸强度的影响。首先使用Matlab对复合材料微观图像进行处理,提取孔隙的半径分布。然后通过C++编写多种孔隙随机分布算法,包括可以生成不同分布孔隙、不同尺寸孔隙以及不同形状孔隙的随机分布算法。最后通过Python参数化生成代表性体积单元（RVE）,用有限元方法研究相同孔隙率下孔隙的分布、尺寸和形状对碳纤维/环氧树脂复合材料单向板横向拉伸强度的影响。研究结果显示,孔隙率相同时,碳纤维/环氧树脂复合材料的孔隙形状对横向弹性模量的影响较大,孔隙尺寸和形状对横向拉伸强度有较大的影响。     

不同孔隙率CFRP层合板静态力学性能研究

为了研究孔隙率对织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板静态力学性能的影响规律,分别测量了孔隙率为0.33%至1.50%的CFRP层合板的弯曲强度和层间剪切强度,并进行有限元模拟.在适用于复合材料单向板的改进Hashin失效准则基础上,建立了适用于织物纤维增强复合材料静态力学强度的失效准则.通过引入复合材料基本强度参数预测不同孔隙率CFRP层合板的力学性能,结合刚度突然退化模型,采用ABAQUS软件建立了有限元模型.试验结果表明,随着孔隙率的增加,复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度均呈下降趋势.有限元模型较为准确地预测了不同孔隙率织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的弯曲强度和层间剪切强度.     

Carbon fibre coil springs

Details are given of an investigation into the replacement of a conventional steel coil spring in the suspension system of a production car by a coil spring in fibre reinforced plastics. The development of the design and manufacturing techniques is described and the results of static and fatigue testing of prototype springs in carbon fibre reinforced plastics are discussed.     

The influence of voids on the hydrothermal response of carbon fibre reinforced plastics

Measurements are reported of the shear modulus, strength and strain at failure of carbon fibre reinforced plastics exposed to the effects of temperature and temperature plus water. Two types of specimen were employed, one with a low void content and one with a high void content. Properties were determined either at room temperature after specimens had been fully dried, or at high temperature and in some cases at high temperature and under water. For good, low void content specimens, any effects of temperature and water were completely removed by drying. For specimens containing more than 1 vol% voids this was not so. Measurements at high temperature indicated a fall-off in stiffness and strength for either type of specimen, and for void containing specimens an increase in the strain at failure indicative of bond disruption. The added effects of water were complex.     

The thermal expansion of carbon-reinforced plastics

We compare the convenience offered by alternative ways of recording thermal expansion data. Limitations imposed on the values, for every day engineering, of the linear thermal expansion coefficients of laboratory produced carbon fibre reinforced plastics are assessed. It is concluded that the commonly encountered levels of moisture content, voids and effects due to the misalignment and non-uniform distribution of fibres do not provide cause for serious concern in most applications. The practical consequences of thermo-elastic stress are deemed to be more important. It is concluded that provided sensible account is taken of the experience accumulated over the years from the production and application of carbon fibre reinforced plastics, laminate theory may be confidently applied to laboratory data in order to gain a good idea of the behaviour expected from new constructions under normal operating conditions.     

超声背散射信号递归定量分析无损表征CFRP孔隙分布仿真

针对碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon fibre reinforced plastics,CFRP）孔隙分布对其力学性能有不可忽略影响的问题,提出对超声背散射信号进行递归定量分析（Recurrence quantification analysis,RQA）的方法来表征CFRP孔隙尺寸和位置分布。建立孔隙直径D范围为26~70 μm的3组含球形孔隙且孔隙位置分布不同的CFRP模型,3组模型的孔隙间距d分别为0.21 mm、0.14 mm和0.09 mm,对模型进行仿真计算,采用RQA方法分析超声背散射信号。研究发现,相同孔隙位置分布时,递归度P_RR（Recurrence rate）随D的增加而减小;相同孔隙尺寸分布时,P_RR随着孔隙间距d减小而增大,d=0.09 mm时模型的P_RR始终明显高于其余两组,D<50 μm时,d=0.14 mm与d=0.21 mm模型P_RR之间差别明显,D ≥ 50 μm时差别较小。结果表明,不同孔隙分布情况下P_RR均存在差异,P_RR可用于CFRP孔隙分布表征。     

Technology development and applications of composites at HAL

Composite materials for aerospace applications through in-house R & D and through collaboration with overseas aerospace organizations and National Laboratories covering a wide spectrum including glass/carbon/kevlar fibre reinforced plastics, metal and Nomex honeycomb sandwich structures, laminated composites, metal matrix composites and metallo-ceramic composites.     

TWINTEX纤维增强塑料的应力腐蚀开裂

研究了TWINTEX纤维增强塑料在酸中的应力腐蚀,并与玻璃纤维增强塑料的应力腐蚀进行了比较.结果表明,TWINTEX纤维增强塑料具有比玻璃纤维增强塑料好得多的耐应力腐蚀性能,而且这种好的耐应力腐蚀性主要表现在长的裂纹孕育期.聚丙烯纤维良好的耐蚀性是造成长的裂纹孕育期的主要原因.外加载荷的变化对TWINTEX纤维增强塑料的应力腐蚀裂纹扩展速率的影响不如其对玻璃纤维增强塑料的应力腐蚀裂纹扩展速率的影响显著.     

混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能

研究纤维与颗粒混杂增强聚氨酯复合硬泡塑料的物理及力学性能,着重分析增强剂SiO₂颗粒和玻璃纤维含量以及纤维长度对其性能的影响。结果表明,SiO₂含量为20 wt％,玻璃纤维含量为7.8 wt％时,试样的拉伸强度达到最佳值。此外,还比较了玻璃纤维、尼龙66纤维和PAN基碳纤维的增强效果。结果表明,3 wt%~5 wt％含量碳纤维增强的聚氨酯复合硬泡塑料拉伸强度最佳。     

Fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP under coupling action of temperatures and vehicle random loads

Considering significant influence of servicing environments and vehicle random loads on fatigue performance of main load‐bearing members of bridges, in this paper, fatigue performance of reinforced concrete bridge structures strengthened with carbon fibre–reinforced polymer under coupling action of environmental temperatures and vehicle random loads was studied. A vehicle random loading spectrum for fatigue tests was simulated and compiled. A fatigue testing method with coupling action of random loads and temperatures was proposed, and 3‐point bending fatigue tests of the reinforced concrete beams strengthened with carbon fibre–reinforced polymer under coupling action of temperatures and vehicle random loads were performed. Effects of temperatures and loading form on the fatigue damage mechanism were preliminarily discussed. A modified Palmgren‐Miner rule and semiempirical fatigue equations were proposed and proved effective.