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。     

基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究

为解决碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastics,CFRP)孔隙率超声衰减法检测中,理论值与试验值存在差异的问题,基于随机介质理论,建立CFRP孔隙特征的数学描述方法。该方法利用极值搜索法对椭圆形自相关函数随机介质构造方法进行改造。通过正交试验分析各构造参数对随机孔隙构造结果的影响,并利用CFRP试样的大量孔隙形态及分布统计数据,对自相关长度ab、自相关长度比r0=a/b及分区边长D等参数进行优化,最终构建CFRP随机孔隙模型。研究发现,随机孔隙模型能够反映孔隙的形貌及分布等随机特征,为研究CFRP孔隙对超声波的散射作用提供理论依据。根据此模型计算出的超声衰减系数与孔隙率对应关系与试验结果之间规律一致。表明该随机孔隙模型能够很好地表征CFRP的整体弹性性能及由随机孔隙引起的局部弹性微扰。     

CFRP复合材料孔隙几何形貌定量分析与研究

利用超声衰减法检测复合材料孔隙率得到了广泛应用,但该方法的理论分析与实测结果只适用于特定频率或特定孔隙率范围。原因之一是理论模型中引入的孔隙几何形貌假设与实际情况不符。采用热压成型法制备了孔隙率为0.03%～4.96%的碳纤维增强树脂（CFRP）试样。采用金相组织观察和定量统计分析方法,研究CFRP复合材料的孔隙长度L、等效宽度W和形状因子Rs等定量表征孔隙几何形貌参数的变化规律。结果表明：孔隙长度L和等效宽度W分别在10～350μm和10～100μm范围内;随孔隙率的增加,L和W增大,且L比W增大的幅度大;孔隙率由0.03%增加到4.96%,圆形和椭圆形孔隙的比例减少,不规则形孔隙的比例增加。该研究结果为建立准确的孔隙率超声衰减法检测模型提供了重要的试验依据。