碳纖維復合材料缺陷的8種檢測方法
發布時間:
2023-10-30
對于碳纖維復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所含孔隙的體積百分比??紫堵实木_測量需要精確測量復合材料內纖維、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用。有時,應用密度法測量低孔隙含量的孔隙率時往往獲得負值。該法相對簡單,不需要復雜儀器,容易實現,因而得到了廣泛的應用,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,試驗中試樣必須進行切割,試驗后的試樣不能再進行力學試驗。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,可進行現場即時檢測,且其成本也較低。航空領域的一個主要的目標就是要保證航空結構的可靠性、安全性和耐久性。在這方面,無損檢測技術發揮著重要作用。
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構性能影響的信息,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,由于碳纖維復合材料內的孔隙尺寸在不同的孔隙率時變化較大,當孔隙率低于4%時有相當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。
4.計算機層析照相檢測法:計算機層析照相(CT)應用于復合材料研究已有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、復合材料微氣孔含量),壁厚)精確測量內部結構尺寸(如發動機葉片,檢測裝配結構和多余物,三維成像與CAD/CAM等制造技術結合而形成的所謂反饋工程。
5.聲-超聲檢測法:聲-超聲(簡稱AU)技術又稱應力波因子(簡稱SWF)技術,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(復合材料或各向同性材料)表面激發脈沖應力波,應力波在內部與材料的微結構(包括纖維增強層合板中的纖維基體,各種內在的或外部環境作用產生的缺陷和損傷區)相互作用,并經過界面的多次反射與波型轉換后,到達置于結構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行分析,提取一個能反映材料(結構)力學性能(強度和剛度)的參數,稱為應力波因子。AU的基本思想是應力波的傳播效率更有效,即提取的SWF數值越大,相當于材料(結構)的強度、剛度和斷裂韌度更高,或材料內損傷更少。
6.聲發射檢測法:聲發射(AE)又稱應力波發射,是指物體在受力作用下產生變形、斷裂或內部應力超過屈服強度而進入不可逆的塑性變形,以瞬態彈性波形式釋放應變能的現象聲發射檢測已應用于航空、航天石油、化工、鐵路、汽車、建筑和電力等諸多領域,是一種重要的無損檢測技術。它與常規無損檢測技術相比,有2個基本特點:一是對動態缺陷敏感,在缺陷萌生和擴展過程中能實時發現;二是發射波來自缺陷本身,而非外部,可以得到有關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變化性熱源與媒介材料及其幾何結構之間的相互作通過控制熱激勵并適時監測和記錄材料表面的溫場變化,經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構及熱屬性的特征信息,從而達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:對于纖維增強復合材料來說,超聲檢測技術是目前使用最廣泛的無損檢測技術。由于聲波在不同介質界面處會產生反射、折射現象,這就使得聲波在傳播方向上產生能量損失,傳播速度發生改變,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,當復合材料中含有孔隙時,穿透復合材料的超聲波就會發生上述現象,這樣就可以根據超聲波的能量衰減與傳播速度的改變來測定復合材料試樣內的孔隙率。超聲波穿透力強,方向性好,靈敏度高,且對人體無害,較適合復合材料內部缺陷的檢測。
同時,孔隙率超聲檢測方法可用于現場實時檢測,標定后檢測快速方便,是一種尤為重要和有效的復合材料孔隙率檢測方法。這種測量方法的優點是它可以測量復合材料試樣的全部區域,而不是局部區域。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。而且因為復合材料中的孔隙率對工藝的依賴性及各項參數的離散性,因此必須對一批材料進行大量的試驗,才能建立相應的應用公式。
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