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.     

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。      

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。      

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。      

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。     

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。     

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。     

基于仿真方法的CFRP复合材料孔隙率与超声衰减系数的关系

为从超声衰减机制角度解释碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料孔隙率P与超声衰减系数α之间呈非唯一对应关系的原因,针对厚度为2 mm的热压罐成型单向CFRP层板,建立了具有不同孔隙尺寸的CFRP模型（P=0.5%~3.5%）,并采用数值计算方法得到衰减系数α值。当孔隙横向尺寸D=56 μm,即归一化波数kD=2π D/λ <1（超声波波长λ ≈560 μm）时,α随P增大而缓慢线性增加;当D=93 μm（kD ≈ 1）时,α随P增大呈对数增长。仿真结果表明,超声波在含孔隙CFRP中传播时,随着归一化波数的不同,超声波衰减可能包括瑞利散射和随机散射两种机制,孔隙形貌的随机复杂性导致CFRP孔隙率与超声衰减系数之间呈现非唯一对应关系。     

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.     

基于超声频域分析的碳纤维复合材料孔隙率检测

提出了一种基于超声波频谱分析理论建模与实验标定的碳纤维复合材料孔隙率的检测方法，对碳纤维复合材料孔隙率的频域检测法进行实验分析和讨论，并通过具体示例进行验证，证实了该检测方法是可行的。     

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。     

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.     

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。     

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.     

Characterization of microvoids in polyacrylonitrile-based carbon fibres

The microvoids in PAN-based carbon fibres covering a wide range of crystallite size were measured by the method using small-angle X-ray scattering on fibre bundles, and the fractional content of voids and the parameters representing the cross-sectional size of voids perpendicular to the fibre axis were determined. The variation in the shape and size distribution of voids with crystallite thickness was considered by introducing an elliptical crosssection model and a cross-sectional size distribution model. The electron density distribution in the inside of a void was also considered. It is concluded that the electron density difference between a void and the solid surrounding the void is relatively larger in the periphery than in the inner part of a void, and that the electron density in the inner part of a void decreases with increasing crystallite thickness.