碳纤维复合材料孔隙率便携式超声无损检测系统研制

　　近年来, 碳纤维复合材料在机械、航空航天、军工、纺织等领域得到了广泛的应用. 但由于碳纤维复合材料特殊的制作工艺, 通常会在制造过程中形成孔隙、孔洞、疏松、分层、夹杂等缺陷, 其中孔隙是最为常见的缺陷之一[ 1- 5] . 评价孔隙含量的定量指标是孔隙率, 即单位体积内所含孔隙的体积百分数. 研究结果表明: 无论何种树脂、何种纤维与纤维表面处理方式, 孔隙率每增加1%, 复合材料的层间剪切强度便下降7% [ 6] . 当孔隙率超过一定的数值时, 复合材料就会由于强度的急剧下降而失效. 另外, 复合材料的其它性能如纵、横向拉伸强度、弯曲强度、模量、抗压强度、疲劳极限等均受到孔隙率的影响. 目前对于碳纤维复合材料孔隙率的检测, 一般采用破坏性实验的方法, 这种方法的检测时间比较长, 同时也造成了大量的浪费. 因此, 为了保证碳纤维复合材料在使用中的可靠性, 研制能够用于现场的碳纤维复合材料孔隙率便携式无损检测仪器十分重要.

　　1 孔隙率超声检测理论模型

　　当超声波在复合材料中传播时, 由于孔隙的存在时, 就会引起超声波衰减系数、传播速度、频率等参数的变化. 孔隙率超声检测的理论模型就是建立超声衰减系数、速度、频率等参数和复合材料的孔隙率之间的数学关系.

　　孔隙率检测理论方面的研究需要以复合材料中孔隙分布和形状假设为前提. Mart in 假设复合材料中含有小的不连续的球形孔隙, 以弹性纵波和横波在复合材料中的传播为基础, 建立了超声衰减与孔隙率之间的理论计算模型, Hale. J. M. 和J. N.Ashton 等进行了修正, 表达式为[ 7] :

　　D. K. Hsu 和S. M. Nair 对石墨-环氧复合材料孔隙率检测进行了研究, 发现在石墨-环氧复合材料层压板中孔隙近似呈椭圆截面的长圆柱形, 而且截面纵横比通常较大. 他们假设入射纵波垂直于孔隙椭圆柱轴线和截面长轴所形成的平面, 得到各向同性介质中超声衰减计算模型为[ 8] :

　　V 为波速, △V 为波速的变化量. 研究发现材料内部结构和孔隙形状与分布影响着公式中的常数, 扁平椭圆形的孔隙比球形孔隙对衰减-频率斜率或者速度变化影响要大. 实测中可采用破坏性方法对同种工艺同种材料的公式常数进行标定, 然后用公式来确定未知材料的孔隙率. 所以通过超声衰减较精确得到待测碳纤维复合材料的孔隙率, 须考虑材料内部孔隙特征即材料内部结构和孔隙形状与分布.

　　浙江大学现代制造工程研究所对碳纤维复合材料的孔隙形态及其引起的超声衰减进行了深入的研究, 建立了全新的碳纤维复合材料孔隙率超声检测理论模型[ 10-11] . 他们将超声波在复合材料中的衰减AT看作四个方面的综合效果: 一是树脂对超声波的衰减AR , 二是碳纤维对超声波的衰减AF , 三是孔隙对超声波的衰减AV , 四是其他方面引起的衰减AO . 所以有: