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先进复合材料的无损检测技术研究
1 复合材料的组成
碳纤维复合材料是由纤维、基体、界面组成, 其细观构造是一个复杂的多相体系, 而且是不均匀和多向异性的。由于预浸料中常常含有低分子杂质、溶剂、水分等一些易挥发物, 因而, 极易在复合材料成型过程中形成孔隙、分层等缺陷。同时, 在预浸料制作、铺放和固化过程中往往存在很多人为因素和工艺质量的不稳定性, 这使得复合材料构件的质量具有一定的随机性; 而且, 缺陷的存在是不可避免的, 因此, 对其中成型缺陷的有效检测, 是复合材料构件质量保证的必要手段。
2 复合材料的缺陷与损伤
2. 1 成型过程中产生的缺陷
复合材料在成型过程往往会由于工艺原理和理论的非完美性而产生缺陷, 如高温固化的复合材料会由于纤维与树脂基体热膨胀性能的失配而产生微裂纹, 严重时甚至造成基体开裂。湿法制作的预浸料, 由于其中的低沸点溶剂挥发不完全, 固化成型过程中, 在高温下的聚集、膨胀, 因而在复合材料中产生孔隙, 严重时可导致分层。原材料因素, 也是复合材料产生缺陷的一个主要原因。购买的预浸料中局部树脂含量不均匀、毛团、纤维弯曲会造成复合材料的贫胶、富胶和纤维曲屈。如果预浸料储存时间过长, 则会在固化成型过程中, 树脂的流动性变差而导致贫胶、富胶、纤维脱粘以至分层。由于我国的先进复合材料工业, 仍以手工操作为主, 所以人为因素的随机性是复
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合材料产生缺陷的一个极为重要的原因, 如夹杂、铺层错误、固化不完全等。如果这些缺陷不能及时发现, 就会严重影响复合材料构件的使用性能, 造成不可挽回的损失。
复合材料构件在成型过程中产生的缺陷, 如果不能及时发现并进行适当的修补, 就会对构件的后加工和使用性能产生严重影响, 甚至会在二次加工中造成产品报废, 因此, 复合材料构件在加工和装配前必须进行无损检测。
2. 2 使用过程中产生的缺陷
CFRP 构件在使用过程中往往会由于应力或环境因素而产生损伤以至破坏。复合材料损伤的产生、扩展与积累会加剧材料的环境与应力腐蚀, 加速材料的老化, 造成材料的耐湿热性能严重下降, 强度与刚度的急剧损失, 大大降低材料的使用寿命, 有时会造成灾难性后果 所以复合材料构件在使用过程中的定期检测, 就显得极为重要, 也越来越受到人们的重视。
3 复合材料的无损检测
检测复合材料的微观破坏和内部缺陷, 用常规的机械和物理实验方法显然不能满足其检验后的使用要求, 必须对制件进行无损探伤。无损检测技术( NDT ) 是在不损害材料/ 工件使用性能的前提下, 用于检测其特征质量, 确定其是否已达到特定的工程技术要求, 是否还可以继续服役的技术方法。它也是检验产品质量、保证产品使用安全、延长产品寿命的必要的可靠技术手段。目前X 射线法、超声法、声发射法等仍是复合材料最核心的无损检测方法。近年来,这些方法
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已在自动化技术、探测器技术、信息处理和数据存储等方面取得了很大进展, 特别是在航空航天领域的复合材料构件的制造中发挥了极为重要的作用。在复合材料的无损检测中, 超声波检测是其中应用最为广泛的方法之一。尤其是超声 C 扫描,由于显示直观、检测速度快, 已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。
4 复合材料的超声波检测
4. 1 超声法无损检测的特点
超声波是指频率在 20 kHz 以上的声波, 它们的波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异, 来确定缺陷的位置与大小。
超声波检测主要有脉冲反射法、穿透法和反射板法。它们各有特点, 应根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。
超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷, 而且, 在判断材料的疏密、密度、纤维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定的作用。对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件, 宜采用水浸式反射板法; 对于小或稍厚的复杂结构件, 无法采用水浸式反射板法时, 可采用水浸或喷水脉冲反射法和接触带延迟块脉冲反射法; 对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用水喷穿透法或水喷脉冲反射法。由于复合材料组织结构具有明显的各项异性, 而且性能的离散性较大, 因而, 产生缺陷的机理复杂且变化多样, 而且, 复合材料构件的声衰减大, 航空航天领域的复合材料制件又多为薄型构件, 由此
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引起的噪声和缺陷反射信号的信噪比低, 不易分辨, 所以在使用时应选用合适的方法进行检测。
4. 2 超声检测的应用
超声检测技术, 特别是超声 C 扫描, 由于显示直观、检测速度快, 已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。ICI Fiberite 公司采用9 轴式 C 扫描, 对蜂窝泡沫夹芯等复杂结构的复合材料构件进行无损检测。麦道公司专为曲面构件设计的第五代自动超声扫描系统, 可在九个轴向运动并能同时保证脉冲振荡器与工件表面垂直。该系统可以完成二维和三维的数据采集, 可确定大型复杂构件内的缺陷尺寸。由波音民用飞机集团等单位组成的研究小组, 用超声波研究了复合材料机身层合板结构的冲击强度和冲击后的剩余强度, 结果表明, 超声波不仅可以检测损伤, 而且能确定损伤对复合材料构件承载能力的影响。Dows 公司的先进复合材料实验室, 还用超声波确定了各种损伤参数( 深度、形状、面积、直径以及分层频率等) 与有机纤维复合材料压缩强度的关系。为了适应复合材料制造过程的在线监控, 还发展了用脉冲激光在复合材料生产中产生超声波的检测系统。该系统已成功地应用于远距离、非接触式复合材料固化过程的在线检测监控, 其功能包括温度分布图、固 ) 液态界面、微观。
5总结
由于复合材料是一种复杂的多相体系, 在其原材料的采购、中间材料的制作和制件的最后成型中,存在着诸多不定的影响因素, 这使得复合材料构件的内部缺陷和加工、使用时的结构损伤不可避免。同
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时, 先进复合材料构件大多应用于航空航天领域,其结构的可靠性和安全性是设计成败的关键, 所以复合材料构件内部缺陷与损伤的无损检测就显得极为重要。近年来, 我国复合材料无损检测技术得到了飞速的发展, X 射线法、超声检测法和声发射法已成为最为核心的检测方法, 其中超声检测技术, 特别是超声 C 扫描, 由于显示直观、检测速度快, 已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。但是, 我国复合材料无损检测技术的发展还远不能适应复合材料应用技术的发展, 还没有得到一些复合材料构件制造企业的高度重视, 这对我国复合材料工业的发展极为不利。只有很抓技术进步、加强宣传与应用推广, 才能使无损检测技术成为我国复合材料健康工业发展的有力保障。
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先进复合材料的无损检测
