激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了获得激光切割参量对碳纤维复合材料的影响规律,利用额定功率为500W的毫秒脉冲Nd:YAG激光器,分别进行了在空气中和水下切割碳纤维复合材料(CFRP)的实验研究。采用单因素实验法,考察了脉冲能量、频率、切割速度与气体压力等激光参量对切割质量的影响,获得了激光参量对切割CFRP材料切口的切缝宽度、正面纤维拔出长度、背面纤维拔出长度与锥角的影响规律,并对激光切割机理进行了分析研究。结果表明,水下切割能有效地减小激光切割产生的热影响区。这为继续开展激光水下切割CFRP的研究提供了参考。     

基于CFRP纤维编织网格分块扫描的激光除胶工艺算法

碳纤维复合材料(CFRP)在激光表面烧蚀除胶过程中容易出现不均匀热影响区、纤维破损等缺陷, 为了解决这一问题, 提出并实现了一种基于CFRP纤维编织网格分块扫描的激光除胶工艺算法, 采用单因素实验方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了不同激光扫面填充算法对CFRP表面树脂去除率、纤维破损度的影响规律, 并对加工机理进行了分析研究。结果表明, 选取平均功率为24W、重复频率为20kHz、扫描速率为1000mm/s、离焦量为5mm等参量时, 加工样品表面得到了纤维完整、热损伤较小等较好的工艺效果。这一结果对激光加工CFRP烧蚀除胶的研究是有帮助的。     

线激光扫描的碳纤维复合材料表面损伤研究

近几年红外热成像技术常被用于材料的无损检测中.针对航空碳纤维增强复合材料(CFRP)表面损伤检测问题,本文提出了基于连续脉冲激光线移动扫描承力结构CFRP的损伤检测思想,搭载了线激光扫描的红外热实验装置.结果显示了线激光热成像对各种尺寸、深度和不同方向的拉伸断裂损伤的敏感性,并采用红外热谱图与温度曲线相结合来判断损伤的...     

航空复合材料内部缺陷差动式激光红外热成像检测

航空复合材料内部缺陷的存在严重威胁着飞行安全。以航空碳纤维复合材料层合板为检测对象,利用激光作为红外热成像检测技术的热激励源,充分利用激光的远距离精准加热、高功率密度等优点,实现对复合材料内部分层缺陷的定位检测。利用激光红外热成像技术对缺陷试件和参考试件进行多次差动检测,并且依据试件与热像仪的空间位置关系,选择温差最大时刻计算内部分层缺陷的直径。实验结果表明:激光红外热成像技术可有效检测航空碳纤维复合材料内部分层缺陷。同时,首次使用的差动式激光红外方法可有效消除激光能量分布不均对检测结果带来的影响,使缺陷成像结果更清晰。     

孔隙率对碳纤维增强复合材料光热辐射信号的影响

为了研究碳纤维增强复合材料(CFRP)孔隙率与光热辐射(PTR)信号的影响,建立了四层PTR理论模型,并搭建了相应的实验平台。采用三种不同直径的激光束分别对9种孔隙率的CFRP样品进行了实验,以玻璃碳为参考材料,对所得PTR幅值和相位信号进行了规格化处理。实验结果表明,在功率一致的条件下,相同调制频率下的PTR相位随着激光直径的减小而增加,而幅值刚好相反。激光束直径为0.2 mm时,低频率扫描的PTR相位信号随着孔隙率的增加而降低。     

单层碳纤维复合材料激光多向切割的温度场模拟北大核心CSCD

研究了激光切割碳纤维复合材料(CFRP)过程中碳纤维的铺设方向和树脂含量对激光能量传递方向以及切割质量的影响。根据复合材料混合定律设定材料物理参数,建立了碳纤维铺设角度为0°、45°、90°,树脂含量由30%增至50%的单层CFRP三维有限元模型。数值模拟结果表明,激光多向切割单层CFRP时,烧蚀前沿的能量传递方向由激光切割方向主导;随着纤维铺设角度的增大,传递方向的角度增大;稳定切割时能量传递主要沿纤维铺设方向。随着纤维铺设角度的增大,切缝倾角增大,表面碳纤维烧蚀宽度几乎不变,温度场变宽,最高温度降低。切割不同树脂含量单层CFRP时,热影响区宽度和最高温度随树脂含量的增加都呈近似线性变化。与试验结果相比,数值模拟结果中的表面碳纤维被烧蚀宽度的平均误差为10.66%,热影响区宽度的平均误差为13.09%。     

基于复Morlet小波相位的红外调制热像检测方法

为了提高红外调制热像法对复合材料缺陷的检测能力,研究了利用基于复Morlet小波相位分析的红外热像序列处理方法。依据热激励调制频率和红外图像采样频率,自适应地选择小波变换尺度总数,然后利用复Morlet小波系数相位从原始热像序列重建相位图序列。对含有分层缺陷的玻璃纤维增强复合材料参考试件进行了调制热像检测实验,以信噪比为评价指标对该方法的实际处理效果进行了定量评定,并与傅里叶变换法进行了对比。结果表明:复Morlet小波相位法可以分离调制热像信号的低频和高频噪声,能稳定地提取试件不同深度的分层缺陷,对热激励调制频率的变化有良好宽容性,因此是调制热像法的有效数据处理方法。     

新型光束匀化激光红外热成像检测系统及应用

激光红外热成像检测方法具有检测距离远、检测速度快、检测结果可视化等优点,在纤维增强复合材料缺陷检测领域具有广阔的应用前景。为消除由于激光加热不均造成的检测能力较低等问题,本文提出和研究了一种基于衍射分束原理的激光光束整形和匀化方法,在此基础上开发了便携式光纤耦合光束匀化激光红外热成像检测系统,并将其应用于航空碳纤维增强复合材料结构快速检测上的应用研究,计算及实验结果表明该方法及系统大幅提升了激光光束的均匀度,有效消除了由于加热不均造成的背景噪声,提高了缺陷的检出率,可以实现对纤维增强复合材料内部分层脱粘缺陷和冲击损伤等的有效检测。与现有商用红外热成像检测系统相比,所开发系统具有更高的检测性能。     

碳纤维增强复合材料与钛合金激光连接仿真

为了研究不同工艺参数对TC4钛合金与连续编织碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料（CFPEEK）的激光焊接接头的影响规律，并对焊接工艺窗口进行预测，使用ABAQUS软件建立基于热传导的有限元仿真模型，计算TC4钛合金/CFPEEK激光焊接接头的温度场分布。针对CFPEEK中连续编织碳纤维的实际铺层情况，在建模时对复合材料进行分层处理，将碳纤维层视为正交性质的材料。在此基础上探究了激光功率、焊接速度、光斑尺寸对焊缝熔化深度及宽度的影响规律，计算结果与实际试验结果吻合度较高，激光功率、焊接速度、光斑尺寸等工艺参数均对接头结合处的温度有较大影响。经过多组参数的计算，得到了TC4钛合金/连续编织CFPEEK激光连接的预测工艺窗口。结果表明，所建立的有限元模型能够有效模拟连续编织CFPEEK与TC4钛合金激光连接的温度场分布，对实际试验有一定指导意义，可降低试验成本。     

CFRP材料的电导率-温度及频率特性

搭建碳纤维复合材料(CFRP)电导率测量试验平台,研究CFRP试件沿不同方向测量时的"电导率-温度"及"电导率-频率"特性。结果表明CFRP材料的电导率随温度升高呈负温度系数(NTC)特性,并且在0.1~5 MHz出现随频率变化的转折点;沿平行纤维方向测量的"电导率-温度"及"电导率-频率"特性与沿厚度和垂直纤维方向测量的相差甚大。最后,采用微观导电模型及对应的等效电路对测试结果进行了探讨和解释。     

超声热红外技术在无损检测领域中的应用

介绍了红外热超声技术的基本原理及其特点,用这种技术对一个碳纤维复合材料T形接头和一块埋有裂纹缺陷的有机玻璃板进行检测,检测出试件表面及亚表面的闭合裂纹缺陷;对两块不同焊接能量激光焊接钢板进行检测,并由实验结果对激光焊接能量和焊缝质量方面给出了分析比较.     

266nm紫外固体激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了研究266nm紫外固体激光切割碳纤维增强复合材料(CFRP)的工艺规律,采用单因素实验法、正交实验法和多元线性回归分析法,进行了266nm紫外固体激光切割CFRP的实验研究,得出了激光脉冲能量、扫描速率对切缝宽度和热影响区宽度的影响规律.结果表明,切缝宽度和热影响区宽度随激光脉冲能量的增大而增大,随扫描速率的增大而...     

CFRP雷击致损实验研究

基于碳纤维复合材料的雷击防护需求,建立了雷击损伤效应测试系统,利用不同峰值、不同持续时间的冲击电流对不同尺寸、不同类型的CFRP试件进行了测试。对不同尺寸的未防护试件的雷击实验结果表明,雷电流峰值越高、持续时间越长,其比能也越大,对CFRP的损伤效应越显著。对粘贴有铜网的试件的测试结果表明,铜网防护层能够显著降低雷电流对CFRP结构的损伤,实现有效的雷击防护。     

CFRP/Al蜂窝结构缺陷巴克编码热波检测及匹配滤波

CFRP/Al蜂窝板构件长期服役于恶劣环境,易引发脱粘和积水等涉及运行安全的缺陷。以同时含有脱粘和积水缺陷的CFRP/Al蜂窝复合板材为检测试件,运用巴克编码调制脉冲压缩信号驱动卤素灯作为外部激励源,用红外热像仪采集试件表面的红外热图序列。设计并运用三维匹配滤波器对所采集的图像序列进行处理,在4种不同量化方式的条件下,获得有关脱粘和积水缺陷的8个热波响应结果,并对这些结果进行多角度对比分析及信噪比评估。结果表明:巴克编码激励具有调制简单、易实现等优势,结合三维匹配滤波器可有效抑制红外热图背景噪声和提高信噪比,能实现在低功率热激励条件下对复合材料内部脱粘和积水缺陷的有效检测。     

碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究

为了研究100W皮秒激光对碳纤维复合材料（CFRP）切割工艺,采用单因素实验方法,进行了理论分析和实验验证,得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律,并对1.5mm厚碳纤维复合材料板进行了切割实验。结果表明,选取平均功率为60W、重复频率为0.4MHz、扫描速率为10m/s、轨迹重复扫描20次、切缝上表面宽为350μm等适当参量时,得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割CFRP的进一步研究与工业应用提供了参考。     

碳纤维复合材料激光切割温度场研究

为了探索激光切割工艺参数对碳纤维复合材料温度场的影响,采用有限元模拟分析和试验验证的方法,综合考虑辅助气体冷却和热辐射作用,定性模拟分析了激光功率、扫描速度和激光光斑半径对碳纤维复合材料厚度方向和垂直于激光扫描方向的温度场影响规律.结果表明:激光切割工艺参数对试件厚度和垂直切割方向的热影响具有一致性;吸收能量较多时造成...     

红外图像序列处理的锁相热成像理论与试验

红外锁相热成像技术是一种基于热波信号处理的主动式红外热成像技术,特别适用于复合材料及复杂结构构件的无损检测.阐述了红外锁相热成像技术的原理,采用有限元方法对正弦规律变化的热流在构件中的传递过程进行了分析.利用正弦规律调制光源作为热激励源对不同材料的试件加载,通过Jade MWIR 550焦平面红外热像仪进行图像序列的采集,深入研究了图像序列数字滤波算法,并采用Savitzky-Golay数字平滑滤波算法消除了高频噪声的影响,在此基础上,利用FFr算法得到了热波信号的幅值与相位图像,并采用Visual C++平台开发了基于图像序列处理的红外锁相软件检测系统.试验结果表明,通过选取适当的激励加载频率可准确获得缺陷特征.     

线性调频激励的红外热波成像检测技术

线性调频激励的红外热波成像检测技术是一种基于线性调制热波信号处理的主动式红外热成像技术,能够弥补传统红外锁相热像检测的单一调制热波只能探测相应扩散深度缺陷的不足,可准确检测不同深度范围内的缺陷形状及尺寸。阐述了线性调频红外热波成像检测技术的原理、分析方法和实验。采用有限元方法对线性调频啁啾(Chirp)规律变化热流在构件中的传递过程进行了分析。利用相关算法计算了表面温度(热波)信号的相关峰值及其对应的时间,形成了表面温度相关峰值图像与峰值时间图像。利用Chirp规律调制卤素光源作为热激励源对金属平底孔试件进行激励加载,通过Jade MWIR 550 焦平面红外热像仪进行图像序列采集。分别利用时域相关处理与频域FFT扫描得到了表面温度(热波)信号的相关峰值及对应时间图像和不同频率下的相位图像。试验结果表明,在给定激励条件下,相关峰值图像和频域相位图像能够可靠地确定不同深度缺陷的几何特征。     

脉冲相位法用于复合材料层析检测的研究

为了提高脉冲热像无损检测技术对复合材料缺陷的检测能力,研究了脉冲相位法用于复合材料层析检测的可能性。介绍了利用脉冲相位法对脉冲热像图进行数据处理的原理,进行了CFRP层板的脉冲相位法检测实验,并从传热学角度对实验结果进行了分析。实验证明脉冲相位法用于复合材料的层析检测是可行的。     

碳纤维层压板冲击损伤的红外热波检测

采用无损检测技术对碳纤维增强复合材料进行检测是保证其构件质量的必要手段.介绍了利用红外热波无损检测技术对碳纤维增强多层复合材料板冲击损伤试件检测的结果,并将热波检测结果与超声C扫描检测结果进行比较,结果表明两种检测方法各具优势.热波检测技术与超声检测技术结合起来对碳纤维增强多层复合材料板冲击损伤无损检测效果更佳.