Page 68 - 无损检测2023年第九期
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付宗周:
   碳纤维复合材料孔隙率超声检测与评价


       由于孔隙尺寸微小、 形状复杂、 分布密集且数量                       树脂基体的黏性影响、 材料的非均匀性及孔隙等。
   众多, 故难以对单个或多个逐一测量。在工程上, 通                         由孔隙引起的超声衰减量与孔隙大小、 形状、 分布有
   常用孔隙率来描述孔隙类缺陷的密集严重程度, 即                           关。一旦碳纤维复合材料的制造工艺标准化和超声
   孔隙率是评价树脂基碳纤维复合材料质量的重要定                            检测工艺标准化以后, 那么复合材料本身异常引起的
   量指标之一。复合材料孔隙率通常有两种定义方                             超声衰减变化就成了主要因素。检测并建立层压板
   法: 面积孔隙率和体积孔隙率。面积孔隙率是指复                           结构中孔隙引起的超声衰减量与孔隙率之间的关系
   合材料单位面积中所含孔隙面积的百分比; 体积孔                           可对碳纤维复合材料的孔隙率进行评估, 其是一种间
   隙率是指复合材料单位体积中所含孔隙体积的百分                            接评定孔隙率的方法。孔隙率超声检测时, 需要制作
   比 [ 1 ] 。工程实践中, 孔隙率通常指体积孔隙率。根                     一系列孔隙率标准试块, 然后用超声检测设备检测孔
   据统计学原理, 在某一体积内, 当面积孔隙率统计的                         隙率标准试块获得检测数据, 再通过分析数据建立孔
   次数达到一定数量后, 所有面积孔隙率之和的平均                           隙率与超声信号衰减量之间的关系, 来确定不同等级
   值可近似为体积孔隙率。在工程上, 对于大多数复                           孔隙率的判定阈值, 在检测实际零件时应用此阈值就
   合材料来说, 当孔隙率小于1%~2% 时可以忽略不                         能将不同等级孔隙率超标缺陷检测出来。


   计, 而2% 通常为许多碳纤维复合材料部件不能接                               超声检测具有穿透能力强、 方向性好、 灵敏度
   受的阈值。                                             高、 对人体无害、 效率高等优点, 对于分层、 脱胶、 孔
       复合材料孔隙率的检测方法分为两类: 破坏性                         洞、 外来物等缺陷都可进行检测, 已成为复合材料结
   检测方法和无损检测方法。破坏性检测方法主要有                            构最常用的无损检测方法            [ 1 ] 。特别是随着计算机技
   密度测量法、 吸水法、 酸溶解法、 显微照相法等, 其中                      术和信号处理技术的发展, 超声 C 扫描检测系统具
   使用最多的是显微照相法。破坏性检测方法主要用                            有将超声波幅衰减在 C 扫描图上以颜色灰度变化

   于复合材料试验件或随炉试件局部取样样品的2%                            表示出来, 利于进行数据统计计算。常见复合材料
   孔隙率验证, 尤其是局部取样部位有厚度超差、 目视                         孔隙率超声检测评价方法比较如表1表示。
   异常、 超声检测异常区域, 或其他典型结构区域。由                         1.2 标准试块制备与认定
   于破坏性检测方法是测量试验件的局部孔隙率值,                              碳纤维复合材料孔隙率标准试块套组是一系列
   并不能完全如实反映整个试件的质量, 且在检测后                           具有不同厚度层数和不同孔隙率等级的小面积碳纤
   试件受到破坏而无法正常使用, 因此破坏性检测方                           维复合材料平面层压板, 其实物如图2所示。碳纤
   法不经济, 不适用于实际零件            [ 2 ] 。                 维复合材料孔隙率标准试块要求: 形状一般为方形
       无损检测方法能在不损坏零件的条件下对碳纤                          或近似方形; 不同厚度层数, 一般取 8 层倍数的厚


   维复合材料制件的内部质量进行100% 检测, 能如                         度; 面积足够大, 一般不小于 4in.×4in. ( 长 × 宽)



   实地反映被测试件上每一区域孔隙率的分布状况,                            ( 1in.=25.4mm ); 孔隙分布均匀性好; 相同厚度铺
   因此越来越受到人们的重视和推广, 具有破坏性检                           层数的试块间有不同的孔隙率梯度; 0% 孔隙率标



   测方法不可替代的优越性。有多种无损检测方法可                            准试块孔隙率必须足够小: ① 厚度为0.12in. 或更

   以用来检测孔隙率, 如射线检测、 红外线检测、 超声                        小的标准试块孔隙率必须小于 0.3% ; ② 厚度大于
   检测等, 但目前常用的方法是超声检测法                   [ 2 ] 。开发   0.12in. , 但不大于0.24in. 的标准试块孔隙率必须




   超声检测和评价技术来检测和控制复合材料层压板                            小于0.2% ; ③ 厚度大于0.24in. 的标准试块孔隙率

   2%孔隙率超标缺陷成为了无损检测的研究课题。                            必须小于0.1% 。 0% 孔隙率标准试块表面状态与实
                                                     际零件表面状态一致, 预浸料材料一致, 固化工艺一
  1 超声检测原理、 试块与方法
                                                     致; 标识清楚。碳纤维复合材料孔隙率标准试块套组
   1.1 超声检测原理                                        是采用特殊的工艺控制法( 调整固化参数或在层间喷
     复合材料层压板孔隙率超声检测的基本原理是                            洒合适的介质或控制水分含量等) 制造的。
   超声波衰减量测量法           [ 1 , 4 ] 。复合材料超声检测时,              采用显微照相法对碳纤维复合材料孔隙率标准
   超声波衰减主要由以下几个方面组成: 传声介质引                           试块套组进行孔隙率标定: 采用超声 C 扫描检测判
   起的衰减、 不同介质界面间的衰减、 材料本身对超声                         断所制作试块板料孔隙分布的均匀性, 筛选出孔隙
   波的衰减。材料本身引起超声衰减的主要因素有:                            均匀的试块板料区域; 将筛选出的试块板料区域切

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          2023年 第45卷 第9期
          无损检测
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