碳纤维复合材料缺陷的8种检测方法


发布时间:

2023-10-30

对于碳纤维复合材料缺陷的检测方法,目前可以可分为两类:破坏性检测法和无损检测法。破坏性检测方法主要包括密度法、水吸收法、显微照相法和酸洗吸收法等;无损检测方法主要包括超声检测法、X射线检测法、红外热波法等。

对于碳纤维复合材料缺陷的检测方法,目前可以可分为两类:破坏性检测法和无损检测法。破坏性检测方法主要包括密度法、水吸收法、显微照相法和酸洗吸收法等;无损检测方法主要包括超声检测法、X射线检测法、红外热波法等。 

1.密度法:测出纤维、树脂、复合材料的密度以及纤维、树脂所占的重量百分比,体积孔隙率为。由这种方法测得的孔隙率是一块试件总体积内所含孔隙的体积百分比。孔隙率的精确测量需要精确测量复合材料内纤维、树脂密度及含量的精确值。由于材料中其它缺陷存在和在除去树脂过程中纤维自身氧化而造成孔隙率检测的误差,由该法测得的孔隙率数值偏差不小于士0.5%孔隙率,这就限制了密度法在低孔隙率情况下的应用。有时,应用密度法测量低孔隙含量的孔隙率时往往获得负值。该法相对简单,不需要复杂仪器,容易实现,因而得到了广泛的应用,但无法得到孔隙尺寸、形状及其分布,且精度不高。 

2.显微照相法:显微照相法可由所观察断面内的所有孔隙的总面积与断面面积的百分比表示。显微照相法可以测定孔隙的形状和分布情况。但是这种试验方法是破坏性的,试验中试样必须进行切割,试验后的试样不能再进行力学试验。显微照相法是目前孔隙率检测方法中精度较高的。由于其检测的是局部断面的孔隙率,只能按统计方法求得试件整体的孔隙率,总的精确性比0.5%稍好一点,在实际应用中常用该法作为无损检测法的对照实验。 相对于破坏性检测方法来讲,孔隙率的无损检测方法则用时较短,可进行现场即时检测,且其成本也较低。航空领域的一个主要的目标就是要保证航空结构的可靠性、安全性和耐久性。在这方面,无损检测技术发挥着重要作用。

无损检测的方法主要有:超声波、射线、涡流等,这些方法都能提供缺陷及其对结构性能影响的信息,但其灵敏度和分辨率是不同的。无损的检测方法主要有射线检测法和超声检测法。 

3.射线检测法:射线检测法原理是利用x射线、γ射线将缺陷图像拍成照片,或用闪烁计数管等放射性探测器计量穿透的射线。射线检测法可用来检测复合材料中的夹杂、裂纹、孔洞。对于孔隙这类缺陷,大于0.1mm的缺陷才有可能检测出来,由于碳纤维复合材料内的孔隙尺寸在不同的孔隙率时变化较大,当孔隙率低于4%时有相当大一部分孔隙的尺寸是小于0.1mm的,因而在检测孔隙率方面不十分灵敏,且对人身安全措施要求较高。x射线无损探伤是检测复合材料损伤的常用方法。该方法检测分层缺陷很困难,裂纹一般只有当其平面与射线束大致平行时方能检出,所以该法通常只能检测与试样表面垂直的裂纹,可与超声反射法互补。 

4.计算机层析照相检测法:计算机层析照相(CT)应用于复合材料研究已有10多年历史。非微观缺陷CT主要用于检测(裂纹、夹杂物、气孔和分层等),测量密度分布(材料均匀性、复合材料微气孔含量),壁厚)精确测量内部结构尺寸(如发动机叶片,检测装配结构和多余物,三维成像与CAD/CAM等制造技术结合而形成的所谓反馈工程。 

5.声-超声检测法:声-超声(简称AU)技术又称应力波因子(简称SWF)技术,其工作的基本原理为采用压电换能器或激光照射等手段在材料(复合材料或各向同性材料)表面激发脉冲应力波,应力波在内部与材料的微结构(包括纤维增强层合板中的纤维基体,各种内在的或外部环境作用产生的缺陷和损伤区)相互作用,并经过界面的多次反射与波型转换后,到达置于结构同一或另一表面的接受传感器(压电传感器或激光干涉仪),然后对接收到的波形信号进行分析,提取一个能反映材料(结构)力学性能(强度和刚度)的参数,称为应力波因子。AU的基本思想是应力波的传播效率更有效,即提取的SWF数值越大,相当于材料(结构)的强度、刚度和断裂韧度更高,或材料内损伤更少。 

6.声发射检测法:声发射(AE)又称应力波发射,是指物体在受力作用下产生变形、断裂或内部应力超过屈服强度而进入不可逆的塑性变形,以瞬态弹性波形式释放应变能的现象声发射检测已应用于航空、航天石油、化工、铁路、汽车、建筑和电力等诸多领域,是一种重要的无损检测技术。它与常规无损检测技术相比,有2个基本特点:一是对动态缺陷敏感,在缺陷萌生和扩展过程中能实时发现;二是发射波来自缺陷本身,而非外部,可以得到有关缺陷的丰富信息检测灵敏度与分辨力高。 

7.红外热波法:红外热波无损检测的工作原理是根据变化性热源与媒介材料及其几何结构之间的相互作通过控制热激励并适时监测和记录材料表面的温场变化,经过特殊的算法和图像处理来获取被检物体材料的均匀性信息及其表面下的结构及热属性的特征信息,从而达到检测和探伤的目的。此检测法具有非接触、实时、高效、直观的特点,分为主动式(有源红外)检测法和被动式(无源红外)检测法2种。 

8.超声检测技术:对于纤维增强复合材料来说,超声检测技术是目前使用最广泛的无损检测技术。由于声波在不同介质界面处会产生反射、折射现象,这就使得声波在传播方向上产生能量损失,传播速度发生改变,在固体和气体的界面处能量的损失和传播速度的改变尤为厉害。因此,当复合材料中含有孔隙时,穿透复合材料的超声波就会发生上述现象,这样就可以根据超声波的能量衰减与传播速度的改变来测定复合材料试样内的孔隙率。超声波穿透力强,方向性好,灵敏度高,且对人体无害,较适合复合材料内部缺陷的检测。

同时,孔隙率超声检测方法可用于现场实时检测,标定后检测快速方便,是一种尤为重要和有效的复合材料孔隙率检测方法。这种测量方法的优点是它可以测量复合材料试样的全部区域,而不是局部区域。但它必须用其他方法来校正,因此总的精度并不会大于±0.5%。

目前,由于对超声波检测孔隙率的理论研究还不尽人意,超声波检测结果与实际情况还有一定差距,这种方法只能定性地评价孔隙的分布,不能用来测定孔隙的大小及尺寸和形状。而且因为复合材料中的孔隙率对工艺的依赖性及各项参数的离散性,因此必须对一批材料进行大量的试验,才能建立相应的应用公式。