Page 102 - 无损检测2023年第四期

岳登魁, 等:

“中温环境”环氧树脂固化过程的 Lamb波实时监测

脂复合材料, 这样既能提高材料性能, 还可以节约能 Y ( 1- μ )
E
源并降低成本。因此, 基于中温环境, 开展环氧树脂 c L = ρ 1+ μ 1-2 μ ) ( 3 )
(
)(
固化过程实时监测方法的研究对开发高性能环氧树 E )
c T = Y ( 1- μ ( 4 )
脂基复合材料具有重要意义。 2 ρ 1+ μ )
(
目前, 监测环氧树脂固化过程的方法有红外光 式中: Y 为板的弹性模量; 为泊松比; 为材料密度。
E
ρ
μ
谱法 [ 5 ] 、 差式扫面量热分析 [ 6 ] 、 超声波 [ 7-8 ] 、 介电分析 可以看出, 纵波和横波的速度与材料的弹性模
法 [ 9 ] 等。其中超声检测技术具有操作简单、 无损伤、 量、 泊松比、 密度等相关, 因此求解板中的纵波和横
灵敏度高等优点, 已经成功应用于聚合物结晶、 化学 波速度即可求解 Lamb波的频散方程。当 Lamb波
反应等过程监测中。传统的超声波固化监测方法主 的频散方程已知时, 可根据snell定律, 绘制出板中
要采用超声纵波透射法, 通过测量传播速度和衰减 Lamb波的入射角曲线, 即
程度, 对固化程度进行监测, 但超声波纵波透射法的 θ= sin ( c w c ) ( 5 )
- 1
/
检测区域局限于换能器所能覆盖的范围, 在较薄的
式中: θ 为声波入射角; c w 为透声楔块的纵波速度;
大面积板形结构的无损检测中, 存在检测效率低, 超 c 为 Lamb波相速度。
声信号容易发生混叠等问题; 与超声纵波相比, 超声 1.2 Lamb波监测环氧树脂固化原理

Lamb波( 兰姆波) 具有快捷、 高效的特点, 非常适合 根据 Lamb波传播原理, 声波以入射角θ 入射
于大面积板形结构的无损检测 [ 10 ] , 特别是当环氧树 到薄钢板中, 产生的兰姆波在钢板中沿水平方向向
脂厚度较薄时, Lamb波不仅可以解决回波信号重 前传播, 称为兰姆波Ⅰ ; 当钢槽内浇注环氧树脂时,

叠的问题, 还可以获得能量更高的超声回波信号。 兰姆波Ⅰ向前传播, 其中部分声波以纵波的形式透

射到环氧树脂中, 该纵波称为兰姆波诱发波。当诱
基于此, 在85℃ “ 中温环境” 下采用超声 Lamb
波技术实时监测环氧树脂的固化过程, 研究不同厚 发波沿折射角的方向在环氧树脂中传播时, 一部分
模式超声
度环氧树脂固化过程中 A 0 模式和 S 0 声波在环氧树脂中传播, 一部分声波透射进入钢板,
Lamb波声衰减系数的变化规律, 实现“ 中温环境” 形成与兰姆波Ⅰ模式相同的兰姆波, 称为兰姆波Ⅱ 、
下环氧树脂复合材料固化过程的监测。 兰姆波Ⅲ ……, Lamb 波在钢板和环氧树脂中的传

1 超声 Lamb波监测方法 播示意如图1所示。

1.1 Lamb频散曲线和入射角分析
Lamb波, 是在具有表面边界的板中传播的弹性
应力波, 改变换能器的频率和入射角, 能够激发不同
的 Lamb波模式。由此, 在使用 Lamb技术检测时可
以通过频散方程计算 Lamb波的频散曲线; 进而计算
入射角曲线来确定 Lamb波的传播模式。由于温度

变化并不会给平板结构施加额外约束, 结合弹性波理 图1 Lamb波在钢板和环氧树脂中的传播示意
论, 可将各向同性板中的位移和应力简化为对称和反 可利用超声信号传播与材料各项参数的相互关

对称模式下的 Ra y lei g h-Lamb波频率方程 [ 11 ] , 即对称 系来进行超声固化监测, 通过实时测量超声波的能

模式可表示为 量衰减来获取固化状态信息, 环氧树脂固化反应过
tan ( k T h ) 4 k L k T k 2 程中内部会不断发生交联反应, 在交联反应下其声
=- ( 1 )
2 2
2
tan ( k L h ) ( k - k T ) 阻抗、 黏弹性、 模量、 厚度等都会发生变化, 从而导致
反对称模式可表示为 超声波声衰减系数发生变化。由图1可知, 当声波
2 2
2
tan ( k T h ) ( k - k T ) 在钢板 / 环氧树脂复合层中传播时, 忽略在透声楔块
=- ( 2 )
tan ( k L h ) 4k L k T k 2 中的衰减, 可根据兰姆波Ⅰ相对于兰姆波Ⅱ幅值的
为与
式中: h 为板厚; k 为 Lamb波的波数; k L 和 k T 总衰减来确定树脂的固化状态, 即
板中纵波速度和横波速度相关的函数。
( / )
α total= 20l gA f A t ( 6 )
) 可表示为
板中纵波速度( c L ) 和横波速度( c T 为超声波穿过钢板( Lamb波I ) 的回波振
式中: A f
6
4
2023年 第45卷 第4期
无损检测