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.     

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。     

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。     

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。     

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。      

孔隙率对聚酰亚胺复合材料力学性能的影响

利用超声衰减的强度随聚酰亚胺复合材料孔隙率增加而逐渐增加的性质,建立超声衰减的强度与孔隙率之间的关系,再将不同孔隙率与复合材料力学性能之间的关系对应起来.结果表明,可以通过超声衰减的強度直接预测复合材料的力学性能.     

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。     

超声波检测试块真实缺陷的精度验证

目的 研究超声波检测试块中真实缺陷的形态、精度及其偏差产生原因,为进一步提高试块精度提供技术支持。方法 采用射线检测、超声检测及解剖测量方法,对自主研发的超声检测试块中植入的真实缺陷进行了检测,分析了缺陷的几何尺寸及位置坐标参数与设计值之间的偏差及其产生原因。结果 经表面打磨后,缺陷植入痕迹已完全消除,植入的裂纹形态自然,闭合度较好,且端点清晰,无二次扩展现象。经植入焊接后,缺陷载体与试件母体形成完全冶金结合,植入缺陷与自然缺陷在超声波检测信号上无区别,且在探头到缺陷之间的声束路径上,没有显示异常的反射界面或次生缺陷信号。由射线和超声检测可知,缺陷的几何尺寸及位置坐标的偏差为±2.2 mm。由解剖测量可知,平均偏差绝对值小于0.7 mm。结论 缺陷植入前设定的熔化余量与植入过程中焊接所产生的端部熔化量之间的差异造成了植入缺陷尺寸和位置与设计值之间的偏差。     

涤纶长丝-UHMWPE/木材复合结构设计及胶合性能研究

采用涤纶长丝和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维编织斜纹布,并与木材复合实现增强的效果,研究了斜纹布与木材复合结构的胶合性能,探讨了UHMWPE在木质材料领域应用的可行性。从斜纹布铺装宽度比设计入手,研究了该复合结构的胶合性能,并对其相关机理进行分析。结果表明,由于木材自身尤其是针叶树材剪切强度(ILSS)较低,PUR木材层压胶可用做斜纹布/木材复合的基体树脂;在3种UHMWPE产品形式中斜纹布的综合性能最优;在拉伸强度允许情况下,采用适当降低斜纹布铺装宽度比的方法可显著提高斜纹布/木材复合结构的ILSS值,并从胶层厚度变化入手对影响机理进行了分析。     

基于相移光纤光栅传感器的碳纤维增强树脂复合材料基体裂纹超声探伤

复合材料内部的微小裂纹常会引起后续严重的破坏,因此需要对其进行检测。然而超声探伤复合材料基体裂纹非常困难。本文搭建了一个具有高灵敏度、大带宽的相移光纤光栅超声传感系统,利用此系统探测了在正交铺层碳纤维增强树脂复合材料板中传播的Lamb波。对Lamb波进行数据处理发现,随着三点弯曲实验产生的基体裂纹个数增加,Lamb波的幅值和频谱峰值线性减少。通过和传统压电传感器比较表明,相移光纤光栅传感器测得的Lamb波信号随复合材料基体裂纹数的增加其幅值具有更高的下降速率,表明相移光纤光栅传感器更适合于复合材料基体裂纹的超声探伤。研究表明,新开发的传感系统能够探测到中心频率为300 kHz的微弱超声信号,并能够对碳纤维增强树脂复合材料板中微小基体裂纹个数进行精确评估。      

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.     

Monitoring of non-homogeneous strains in composites with embedded wavelength multiplexed fiber Bragg gratings: A methodological study

For the detection of problems like fastening failures and delamination in composites, the employment of embedded fiber Bragg grating (FBG) sensors is considered an effective tool to measure non-homogeneous internal strains near damage or interfaces of dissimilar materials which in turn can help identify the severity of fracture. In this work wavelength multiplexed FBGs are used to measure strains during gradual adhesive fastening failure in a single lap joint and delamination in a uniaxial composite, during monotonic and fatigue loads. It is shown that such measurements can be effectively used to determine the stresses near the joint and bridging tractions in delamination. The particular method can provide a significant tool in experimental mechanics and fatigue of composites as well as composite assemblies. Experimental measurements are in very good agreement with the numerical analysis concurrently used for the verification of the experimental procedure’s feedback.     

微胶囊层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料力学性能的超声导波评价

选用微胶囊作为改性材料,采用热压机层压成型工艺制备出微胶囊层间增韧T300碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料.通过双悬臂梁(DCB)Ⅰ型层间断裂试验评估了CF/EP复合材料的增韧效果.利用超声导波技术对普通CF/EP复合材料和增韧CF/EP复合材料层间力学性能进行评价.通过SEM对CF/EP复合材料层间断面微观形貌...     

含紧固件碳纤维增强树脂复合材料在雷电流A分量下的损伤特性

为深入分析雷电环境下含紧固件碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料的损伤机制及尺寸对损伤面积的影响规律,对两种不同尺寸含紧固件CFRP进行雷电损伤试验和仿真研究。根据热电耦合理论在ABAQUS中建立含紧固件CFRP的热-电耦合模型,得到单一雷电流A分量作用下CFRP的温度场分布规律;雷电损伤试验中采用超声C扫描方法评估试件损伤特性。试验和仿真结果表明:此雷击条件下,雷电流通过紧固件扩散到CFRP层合板整个厚度,试件在雷电流峰值不太大的情况下损伤面积较小,但随电流峰值的增大,损伤面积剧增、分层损伤严重。电流相近情况下不同尺寸的含紧固件CFRP的损伤分层、损伤形态及面积相近,尺寸对试件的损伤特性影响较小。试验和仿真研究为CFRP的结构设计提供一定的仿真和试验数据支撑。      

单丝断裂双树脂法研究碳纤维/环氧树脂界面粘结性能

建立了单丝断裂双树脂体系法,利用外层树脂的韧性使包埋于内层脆性树脂中的纤维单丝断裂达到饱和,解决了断裂伸长率较低的树脂基体采用传统的单丝断裂法无法测得界面剪切强度的问题.分别采用界面剪切强度和界面断裂能作为表征参量,考察了干态及湿热条件下两种T300级和两种T800级碳纤维/环氧树脂的界面性能,并与单丝断裂单树脂体系的界面性能进行比较.结果表明:单丝断裂双树脂体系与单树脂体系在表征碳纤维/环氧树脂的界面性能上定性规律一致;双树脂体系界面断裂能和界面剪切强度均可评价界面的耐湿热性能,且二者得到的变化规律一致;湿热处理后界面粘结性能均呈下降趋势,国外碳纤维体系的界面耐湿热性能明显优于国产碳纤维体系.