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碳纖維復(fù)合材料缺陷的8種檢測方法


發(fā)布時間:

2023-10-30

對于碳纖維復(fù)合材料缺陷的檢測方法,目前可以可分為兩類:破壞性檢測法和無損檢測法。破壞性檢測方法主要包括密度法、水吸收法、顯微照相法和酸洗吸收法等;無損檢測方法主要包括超聲檢測法、X射線檢測法、紅外熱波法等。

對于碳纖維復(fù)合材料缺陷的檢測方法,目前可以可分為兩類:破壞性檢測法和無損檢測法。破壞性檢測方法主要包括密度法、水吸收法、顯微照相法和酸洗吸收法等;無損檢測方法主要包括超聲檢測法、X射線檢測法、紅外熱波法等。 

1.密度法:測出纖維、樹脂、復(fù)合材料的密度以及纖維、樹脂所占的重量百分比,體積孔隙率為。由這種方法測得的孔隙率是一塊試件總體積內(nèi)所含孔隙的體積百分比。孔隙率的精確測量需要精確測量復(fù)合材料內(nèi)纖維、樹脂密度及含量的精確值。由于材料中其它缺陷存在和在除去樹脂過程中纖維自身氧化而造成孔隙率檢測的誤差,由該法測得的孔隙率數(shù)值偏差不小于士0.5%孔隙率,這就限制了密度法在低孔隙率情況下的應(yīng)用。有時,應(yīng)用密度法測量低孔隙含量的孔隙率時往往獲得負(fù)值。該法相對簡單,不需要復(fù)雜儀器,容易實現(xiàn),因而得到了廣泛的應(yīng)用,但無法得到孔隙尺寸、形狀及其分布,且精度不高。 

2.顯微照相法:顯微照相法可由所觀察斷面內(nèi)的所有孔隙的總面積與斷面面積的百分比表示。顯微照相法可以測定孔隙的形狀和分布情況。但是這種試驗方法是破壞性的,試驗中試樣必須進(jìn)行切割,試驗后的試樣不能再進(jìn)行力學(xué)試驗。顯微照相法是目前孔隙率檢測方法中精度較高的。由于其檢測的是局部斷面的孔隙率,只能按統(tǒng)計方法求得試件整體的孔隙率,總的精確性比0.5%稍好一點,在實際應(yīng)用中常用該法作為無損檢測法的對照實驗。 相對于破壞性檢測方法來講,孔隙率的無損檢測方法則用時較短,可進(jìn)行現(xiàn)場即時檢測,且其成本也較低。航空領(lǐng)域的一個主要的目標(biāo)就是要保證航空結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性。在這方面,無損檢測技術(shù)發(fā)揮著重要作用。

無損檢測的方法主要有:超聲波、射線、渦流等,這些方法都能提供缺陷及其對結(jié)構(gòu)性能影響的信息,但其靈敏度和分辨率是不同的。無損的檢測方法主要有射線檢測法和超聲檢測法。 

3.射線檢測法:射線檢測法原理是利用x射線、γ射線將缺陷圖像拍成照片,或用閃爍計數(shù)管等放射性探測器計量穿透的射線。射線檢測法可用來檢測復(fù)合材料中的夾雜、裂紋、孔洞。對于孔隙這類缺陷,大于0.1mm的缺陷才有可能檢測出來,由于碳纖維復(fù)合材料內(nèi)的孔隙尺寸在不同的孔隙率時變化較大,當(dāng)孔隙率低于4%時有相當(dāng)大一部分孔隙的尺寸是小于0.1mm的,因而在檢測孔隙率方面不十分靈敏,且對人身安全措施要求較高。x射線無損探傷是檢測復(fù)合材料損傷的常用方法。該方法檢測分層缺陷很困難,裂紋一般只有當(dāng)其平面與射線束大致平行時方能檢出,所以該法通常只能檢測與試樣表面垂直的裂紋,可與超聲反射法互補(bǔ)。 

4.計算機(jī)層析照相檢測法:計算機(jī)層析照相(CT)應(yīng)用于復(fù)合材料研究已有10多年歷史。非微觀缺陷CT主要用于檢測(裂紋、夾雜物、氣孔和分層等),測量密度分布(材料均勻性、復(fù)合材料微氣孔含量),壁厚)精確測量內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸(如發(fā)動機(jī)葉片,檢測裝配結(jié)構(gòu)和多余物,三維成像與CAD/CAM等制造技術(shù)結(jié)合而形成的所謂反饋工程。 

5.聲-超聲檢測法:聲-超聲(簡稱AU)技術(shù)又稱應(yīng)力波因子(簡稱SWF)技術(shù),其工作的基本原理為采用壓電換能器或激光照射等手段在材料(復(fù)合材料或各向同性材料)表面激發(fā)脈沖應(yīng)力波,應(yīng)力波在內(nèi)部與材料的微結(jié)構(gòu)(包括纖維增強(qiáng)層合板中的纖維基體,各種內(nèi)在的或外部環(huán)境作用產(chǎn)生的缺陷和損傷區(qū))相互作用,并經(jīng)過界面的多次反射與波型轉(zhuǎn)換后,到達(dá)置于結(jié)構(gòu)同一或另一表面的接受傳感器(壓電傳感器或激光干涉儀),然后對接收到的波形信號進(jìn)行分析,提取一個能反映材料(結(jié)構(gòu))力學(xué)性能(強(qiáng)度和剛度)的參數(shù),稱為應(yīng)力波因子。AU的基本思想是應(yīng)力波的傳播效率更有效,即提取的SWF數(shù)值越大,相當(dāng)于材料(結(jié)構(gòu))的強(qiáng)度、剛度和斷裂韌度更高,或材料內(nèi)損傷更少。 

6.聲發(fā)射檢測法:聲發(fā)射(AE)又稱應(yīng)力波發(fā)射,是指物體在受力作用下產(chǎn)生變形、斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度而進(jìn)入不可逆的塑性變形,以瞬態(tài)彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象聲發(fā)射檢測已應(yīng)用于航空、航天石油、化工、鐵路、汽車、建筑和電力等諸多領(lǐng)域,是一種重要的無損檢測技術(shù)。它與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比,有2個基本特點:一是對動態(tài)缺陷敏感,在缺陷萌生和擴(kuò)展過程中能實時發(fā)現(xiàn);二是發(fā)射波來自缺陷本身,而非外部,可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息檢測靈敏度與分辨力高。 

7.紅外熱波法:紅外熱波無損檢測的工作原理是根據(jù)變化性熱源與媒介材料及其幾何結(jié)構(gòu)之間的相互作通過控制熱激勵并適時監(jiān)測和記錄材料表面的溫場變化,經(jīng)過特殊的算法和圖像處理來獲取被檢物體材料的均勻性信息及其表面下的結(jié)構(gòu)及熱屬性的特征信息,從而達(dá)到檢測和探傷的目的。此檢測法具有非接觸、實時、高效、直觀的特點,分為主動式(有源紅外)檢測法和被動式(無源紅外)檢測法2種。 

8.超聲檢測技術(shù):對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來說,超聲檢測技術(shù)是目前使用最廣泛的無損檢測技術(shù)。由于聲波在不同介質(zhì)界面處會產(chǎn)生反射、折射現(xiàn)象,這就使得聲波在傳播方向上產(chǎn)生能量損失,傳播速度發(fā)生改變,在固體和氣體的界面處能量的損失和傳播速度的改變尤為厲害。因此,當(dāng)復(fù)合材料中含有孔隙時,穿透復(fù)合材料的超聲波就會發(fā)生上述現(xiàn)象,這樣就可以根據(jù)超聲波的能量衰減與傳播速度的改變來測定復(fù)合材料試樣內(nèi)的孔隙率。超聲波穿透力強(qiáng),方向性好,靈敏度高,且對人體無害,較適合復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測。

同時,孔隙率超聲檢測方法可用于現(xiàn)場實時檢測,標(biāo)定后檢測快速方便,是一種尤為重要和有效的復(fù)合材料孔隙率檢測方法。這種測量方法的優(yōu)點是它可以測量復(fù)合材料試樣的全部區(qū)域,而不是局部區(qū)域。但它必須用其他方法來校正,因此總的精度并不會大于±0.5%。

目前,由于對超聲波檢測孔隙率的理論研究還不盡人意,超聲波檢測結(jié)果與實際情況還有一定差距,這種方法只能定性地評價孔隙的分布,不能用來測定孔隙的大小及尺寸和形狀。而且因為復(fù)合材料中的孔隙率對工藝的依賴性及各項參數(shù)的離散性,因此必須對一批材料進(jìn)行大量的試驗,才能建立相應(yīng)的應(yīng)用公式。