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。     

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。     

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。      

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。     

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。     

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.     

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。     

张力退火感生各向异性对纳米晶合金磁性能的影响

对Fe_74.1Cu₁Nb₃Si₁₅B_6.9(%,原子分数)纳米晶合金进行连续张力退火,研究了张力退火感生各向异性对纳米晶合金磁性能的影响。结果表明,张力退火产生的感生各向异性常数(K_u)与退火张力(σ)满足线性关系。随着退火张力的增大合金在f =5 kHz和H=3 A/m测试点的有效磁导率(μ_e)先增大后减小,且随着磁场和频率的提高有效磁导率(μ_e)的衰减减小。退火张力为67 MPa时有效磁导率(μ_e)在磁场强度H为0~800 A/m和频率f为1 k~3 MHz范围内保持约800,表现出恒导磁特性。同时,合金的单位质量损耗(P_m)随着退火张力的增大而减小,当退火张力为67 MPa时损耗为68 W/kg (测试条件：B_m=300 mT,f =100 kHz),与无张力退火相比下降约67%。同时,通过磁光克尔效应观察到张力退火后合金内部形成垂直于张力方向的180°片形畴,随着退火张力的增大磁畴宽度减小且趋于一致,退火张力为67 MPa时片形畴的宽度约为85 μm。     

不同长径比聚丙烯纤维增强混凝土的力学特性

纤维长径比对混凝土力学性能影响显著,而长径比变化的实质是纤维直径和形态均发生变化,因此现有研究多是通过改变聚丙烯（PP）纤维（包含粗、细PP纤维）直径或截面形态设置长径比梯度,从而导致变量不唯一。本文对粗PP纤维（d=700 μm）和细PP纤维（d=80 μm）长径比对混凝土力学性能的影响进行了试验研究,分析了粗、细PP纤维增强混凝土的力学特性。结果表明:粗、细PP纤维增强混凝土坍落度随所掺纤维长径比增大而先降低后趋于稳定,抗压、抗弯、劈拉强度随所掺纤维长径比增大而呈现出先增大后减小的趋势,700 μm粗PP纤维最优长径比为42,80 μm细PP纤维最优长径比为200。此外,提出了宏观力学拟合计算理论用于分析粗PP纤维长径比对PP纤维增强混凝土抗弯强度的影响,以此来增强试验结果的预测性和可控性;对粗、细PP纤维在混凝土中的摩擦粘结机制进行了力学分析,掌握了影响摩擦粘结力的具体因素。      

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.     

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。     

Quantitative analysis of the influence of voids and delaminations on acoustic attenuation in CFRP composites by the laser-ultrasonic spectroscopy method

The aim of the present work is to develop the ultrasonic spectroscopy method using laser thermoelastic generation and piezoelectric detection of broadband acoustic pulses for quantitative evaluation of the influence on the ultrasonic attenuation coefficient of microscopic dispersed voids and interply delaminations in CFRP laminates. The specimens under study have different entire porosity values up to 10% determined by the X-ray computer tomography. The ultrasonic attenuation resonance is observed in all specimens governed by their periodic layered structure. The absolute maximum and the frequency bandwidth of the resonance peak depend on the total porosity level formed by the predominant type of imperfections, either of only microscopic spheroidal voids entrapped in the epoxy layers or of additional extended interply delaminations. The derived empirical relations between these parameters and the total porosity level can be used for rapid nondestructive evaluation of the structure of CFRP composite laminates subject to different manufacturing conditions.     

CFRP复合材料孔隙形貌特征的统计分析

采用光学显微镜观察和统计分析的方法研究了孔隙率(P)在0.03%～4.96%范围内的16组碳纤维增强树脂(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)复合材料中孔隙的平均长度、平均宽度及平均宽长比等参数的变化规律。结果表明:CFRP复合材料的孔隙形貌在整体上呈现统计特性,当孔隙率0.03%≤P0.5%时,孔隙截面接近圆形,孔隙平均长度和平均宽度分别为10～50μm和10～30μm,平均宽长比为0.5～0.8;当孔隙率0.5%≤P3.0%时,孔隙截面逐渐趋向于椭圆形,孔隙平均长度和平均宽度分别为50～70μm和20～30μm,平均宽长比为0.5～0.6;当孔隙率3.0%≤P≤4.96%时,大多数孔隙截面呈现长条形,孔隙平均长度和平均宽度分别为50～100μm和30～40μm,平均宽长比0.35～0.5;同时,CFRP复合材料的孔隙形貌也具有随机特性,不同孔隙率试样之间和同一试样不同部位之间,其孔隙形状、尺寸及分布都可能存在明显差异。     

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。      

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。