复合材料孔隙率的超声检测方法探讨
浅议复合材料构件的超声无损检测关键技术
浅议复合材料构件的超声无损检测关键技术摘要：随着复合材料的广泛应用，特别是在航空航天领域的大量应用，开发便携式、应用于复合材料大面积快速扫查的检测技术就显得很有必要。
超声检测作为一项比较成熟的检测技术，其衍生的各种检测新技术开始应用于复合材料的检测，有效地解决了复合材料的一些检测难题。
对于复合材料来说，超声检测主要应用于对服役构件的在役检测，以及对复合材料的性能无损表征。
文章主要分析了复合材料构件的超声无损检测关键技术及其应用。
关键词：复合材料；超声；无损检测；关键技术引言复合材料（Composite materials）是由两种及两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。
在复合材料的超声检测应用方面，相控阵超声检测技术可以有效检测出层压板分层及夹杂缺陷，碳纤维蒙皮铝蜂窝工件、带涂层以及不带涂层的碳纤维蒙皮纸蜂窝工件等蜂窝复合材料的内部脱粘缺陷，对复合材料的拐角（R区）等特殊部位也能很好地进行检测。
复合材料的超声C扫描检测通常采用多轴联动超声C扫描检测系统，对复合材料进行喷水穿透法、喷水脉冲反射法、水浸穿透法以及水浸脉冲反射法检测，如采用喷水穿透法对层压板和蜂窝结构粘接缺陷进行检测可得到清晰的超声C扫描图像。
多轴联动超声C扫描检测系统虽然可以对某些复合材料进行有效检测，但是受检测工件和检测场地的限制，不利于应用于在役飞机的快速扫查检测上，因此，笔者开发了适用于复合材料的大面积快速C扫描检测以及特殊位置的双轴定位C扫描检测系统。
1.复合材料构件的超声无损检测技术概述复合材料之所以能得到广泛的应用，除了其自身优异的性能外，还得益于与复合材料密切相关的配套技术的同步研究和发展，而质量控制是设计要求得以满足，产品质量得以保证的关键，其中无损检测技术发挥了十分重要的推动作用。
无损检测的目的和任务就是采用合理有效的方法、技术和检测手段，及时准确地发现和检测出材料内部的缺陷和损伤，从而为进一步评价材料、结构的可靠性奠定基础。
复合材料孔隙率的测定
本方法需要通过试验测得组分 树脂。复合材料在水中 300h 后吸收水的质量以及复合材料 中树脂质量含量，由公式可求 得体积孔隙率为:
②吸水测量 法
该方法得到的孔隙率也是 复合材料的体积孔隙率， 由于其它缺陷如裂纹、分 层等的存在对计算结果 的影响，该方法检测精度 与密度测量法差不多，但 是操作过程更为繁琐、耗 时，故其应用效果不及密 度法广泛。
碳纤维复合材料尽管有许多优良的特性，然而保 证材料质量，检测材料缺陷，是其得以正确、安 全应用的前提。碳纤复合材料的缺陷种类有很多， 孔隙是复合材料中最为常见、最为重要的缺陷之 一。
完全无孔隙的复合材料是没有的。
孔隙率对复合材料性能的影响
孔隙率对碳纤维复合材料性 能的影响主要体现在对复合 材料层间剪切性能和弯曲性 能的影响。 。
复合材料在制造过程中容易产生的 缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷 两大类。就微观孔隙缺陷而言，其 显著的特点是缺陷细微，甚至小到 微米级，分布在树脂或树脂基纤维 界面之间，呈明显体积分布。不仅 宏观缺陷的存在影响复合材料的性 能，微观缺陷的存在也会直接影响 复合材料力学性能和可靠性。
如孔隙，对于动态的力学性能来说 就是一个应力集中点，在反复载荷 下会成为一个疲劳源，对于静态的 力学性能来说，孔隙会造成材料内 部疏松并使力学性能下降。
孔隙率对层间剪切性能的影响
研究表明，每含 1%的孔隙率，复合材料的层间剪切性能 下降 5%至 15% 不等，直到孔隙率达到4%时，这种规律 基本保持不变。通过试验得出复合材料孔隙率与层间剪切 性能的关系，当孔隙率小于 0.75% 时，剪切强度都在 76MPa 左右，孔隙率对剪切强度的影响不大，当孔隙率 大于1.5% 时，剪切强度迅速下降，只有 60%的保持率。 当孔隙率较低时( 尤其低于 4%时) ，剪切强度随孔隙率增 大而下降得比较快，当孔隙率大于 5%以后，强度损失己 经过大，并随孔隙率的增大下降得比较缓慢或稳定。 孔隙率0% 增大到 1%时，强度下降约 9%，当孔隙率 增大到 4% 时，强度己经下降32%.孔隙率在 0%-4%，每 增1%，剪切强度平均下降约 8%，基本成线性关系。
浅谈某复材叶片无损检测的方法
浅谈某复材叶片无损检测的方法摘要：当复合材料中含有孔隙缺陷时，超声波的衰减会很厉害，影响超声波的传播速度，因此孔隙率与超声波衰减量和速度存在一定的相关性。
大多数超声检测方法都是通过建立超声特征参数的变化与孔隙含量之间的关系来对复合材料孔隙含量进行评估。
关键词：超声波检测、孔隙率、回波高度1、引言模压工艺制作的某复材叶片内部易出现树脂堆积、纤维分布不均匀等现象。
这些现象均对声波衰减产生影响，对孔隙率评价造成干扰。
通过对某复材叶片进行回波率及孔隙率检测分析，建立回波率和孔隙率对应关系。
重点开展模压工艺复合材料孔隙率标准试块制备、孔隙率检测影响因素分析、孔隙率工程化检测方法研究及检测准确性评估等研究工作。
2、复材叶片检测简介2.1叶片结构简介叶片主要组成部分为内缘板、叶身、外缘板、镍包边和金属衬套，叶片所用材料为高温固化环氧玻璃布、碳布，叶片一次模压成型，成型过程中将两个衬套与叶片一起粘接成型。
为防止某复材叶片前缘磨蚀和布层开裂，在其前缘粘接了金属镍包边。
2.2叶片无损检测内容2.2.1渗透检测复材叶片用衬套和包边，零件状态下进行渗透检测，可有效检测出衬套及包边的表面开口性不连续，如裂纹、折叠等缺陷。
2.2.2超声波检测叶片为模压成型，叶身部位会产生内部分层、气孔、孔隙（层间孔隙和体积孔隙）、夹杂等缺陷，超声波脉冲反射法检测是最灵敏、有效的方法。
超声波穿透法可以用于检测包边部位胶接质量。
2.2.3敲击法检测敲击法是检测胶接质量最简单易行、廉价、古老的一种方法，至今仍在广泛应用。
利用硬币、端头光滑的特制圆形小金属棒、铝质的小锤等工具以每秒4次的速率轻轻敲击组件，胶接质量好的部位会产生均匀的振动，发声尖锐而清脆；若脱粘或空穴部位，将发出较低沉的空洞声。
此方法适应于0.3-1.5mm薄面板组件脱粘的检测，检测灵敏度较低。
2.2.4激光全息检测全息检测以光波干涉原理为基础，把位相信息转化为光强度的变化，形成干涉条纹图。
[正式版]碳纤维复合材料孔隙率检测的频域分析技术ppt资料
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为了得到高衰减和频散材料中的α(ω)表达式这个目的，将厚度为h的碳纤维复合材 料板试件浸入水中，用水浸穿透法进行。在实验中，超声波定向传播，通过不放和 放试件的路径，可得到试件中的声衰减系数。脉冲波直接在水中传播时被接收到的 第一个脉冲被称为参考信号，而脉冲波传播过位于两个探头之间的试件，被接收到 的第一个穿透脉冲被称为试件信号，如图所示。
G ( )T( )D 2( )e e ash jh(1/vs1/v]
F( )
D 1( )
▪ 因为散射对超声信号的相位影响是很小的，故在计算相速度时，对散射影响的相 位修正可以忽略不计。从接收到的波形和其相位谱中可以分析得到试件的相速度。
▪由
G ( )T( )D 2( )e e ash jh(1 /vs 1 /v]
由
可得出碳纤维复合材料试件的声衰减系数为:
件进行透射采样，然后放入试件进行透射采样，共在试件 因为随着孔隙率的增加，超声衰减斜率也增加脚」，这样我们只要预先知道由破坏性试验得到的系列试件孔隙率，然后用上述方法求
得相应的衰减斜率 。
上四个部位点上进行采样，每个部位点采样分析点数为 因为水声衰减在10MHz频率以内相对很小，可假定把它看作是无声衰减、无声束发散的介质。
碳纤维复合材料孔隙率检测的 频域分析技术
一、概述
▪ 对碳纤维复合材料孔隙率的超声检测方法中常见的是时域分析法，利用的是 时域上超声衰减的信息。另一种方法是频域上实行的检测方法。
▪ 超声频域分析法是利用依赖于频率的超声衰减和依赖于孔隙率的相速度信息 进行。复合材料板中的孔隙含量对超声波衰减有显著的影响，这是因为 孔 隙对弹性波有强烈的散射作用。在碳纤维增强复合材料中，孔隙率和超声衰 减关系是: ▪ 孔隙率越大则引起的衰减越大 ▪ 超声波频率越高则超声衰减也越大
碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价
第３４卷第１９期中国机械工程V o l ．３４㊀N o ．１９２０２３年１０月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２３２７Ｇ２３３２碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价杨㊀亮㊀蔡桂喜㊀刘㊀芳㊀李建奎中国科学院金属研究所,沈阳,１１００１６摘要:为实现碳纤维复合材料制孔结构的无损检测与评价,基于超声波脉冲反射法原理,研制了便携式超声螺旋C 扫描检测仪器,建立了制孔结构质量评价的数学模型.通过对人工试样和在役孔进行超声波检测试验,基于静矩原理确定了不规则超声C 扫描图像形心,提取了图像中过形心的最长轴线,计算了最长轴线与孔的公称直径比值(R L N )以评价制孔质量.结果表明,该检测方法可大幅提高检测速度;分层缺陷测量值与实际值相当;检测结果与在役孔的实际形貌具有一致性;R L N 因子可准确评价多种形式的分层缺陷.关键词:碳纤维复合材料;制孔结构;超声检测;螺旋扫查;评价因子模型中图分类号:T B５５３D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２３．１９．００７开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):U l t r a s o n i cN o n d e s t r u c t i v eT e s t i n g an dE v a l u a t i o no fC F R P H o l e Ｇm a k i n g St r u c t u r e s Y A N GL i a n g ㊀C A IG u i x i ㊀L I U F a n g㊀L I J i a n k u i I n s t i t u t e o fM e t a lR e s e a r c h ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６A b s t r a c t :I no r d e r t or e a l i z e t h en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n de v a l u a t i o no f t h eh o l e Ｇm a k i n g st r u c Ｇt u r e o fC F R P ,a p o r t a b l eu l t r a s o n i cC Ｇs c a nt e s t e rw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e p r i n c i pl eo fu l t r a s o n i c p u l s e r e f l e c t i o nm e t h o d ,as p i r a l s c a n n i n g m e t h o dw a s p r o po s e d ,a n da m a t h e m a t i c a lm o d e l f o r t h e q u a l i t y e v a l u a t i o no f t h eh o l e Ｇm a k i n g s t r u c t u r e sw a s e s t a b l i s h e d ．B yp e r f o r m i n g u l t r o s o n i c i n s pe c t i o n t e s t so n a r t if i c i a l s p e c i m e n s a n d i n Ｇs e r v i c e p o r e s ,b a s e d o n t h e s t a t i c d i s t a n c e p r i n c i pl e ,t h e c e n t r o i d o f t h e i r r e g u l a r u l t r a s o n i cC Ｇs c a n i m a g ew a s d e t e r m i n e d ．T h e l o n ge s t a x i s of t h e c e n t r o i dw a s e x t r a c t e d ,a n d t h e r a t i oo f t h e l o n ge s t a x i s t o t h en o m i n a l d i a m e t e r of t h e h o l e (R L N )w a s c a l c u l a t e d t o e v a l u a t e t h e q u a l i t y o f t h eh o l e s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em e t h o dm a yg r e a t l y i m p r o v e th ed e t e c ti o ns pe e d ．T h em e a s u r e dv a l u e s of s t r a t i f i e dd e f e c t a r ee q u i v a l e n t t o t h ea c t u a l o n e s ．T h e r e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t h t h ea c t u a lm o r p h o l og i e so f i n Ｇs e r v i c e p o r e s ．Th e R L Nf a c t o r m a y a c c u r a t e l y e v a l u a t ev a ri o u s t y pe s of s t r a t i f i c a t i o nd e f e c t s ．K e y w o r d s :c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s (C F R P );h o l e Ｇm a k i ng s t r u c t u r e ;u l t r a s o n i c d e t e c t i o n ;s pi r a l s c a n ;e v a l u a t i o n f a c t o rm o d e l 收稿日期:２０２２１２２３０㊀引言复合材料结构部件间以铆钉和螺栓等机械连接为主,所以制孔是复合材料结构部件最终组装前必不可少的工序.碳纤维复合材料(c a r b o n f i Ｇb e r r e i n f o rc ed p l a s t i c s ,C F R P )具有层间强度低㊁非均质且各向异性等特点,在进行钻㊁锪加工时会出现分层㊁撕裂和毛刺等缺陷,影响结构件的装配质量㊁刚度和承载性能,在飞机装配中,由于孔的分层导致的零件报废量占报废总量的６０％[１Ｇ２].因此,对复合材料制孔结构分层缺陷进行无损检测与评价,对保障结构部件的服役安全性至关重要.为实现C F R P 制孔结构的无损检测与评价,目前国内外对此已开展了多方面的研究,主要检测方法有X 射线㊁工业C T 和超声等.X 射线和工业C T 通过分析射线的衰减强度得到C F R P 内部的分层情况,主要用来研究缺陷形成机理和重建缺陷形貌.D U R A O 等[３]通过对比不同直径转头㊁不同转速下的孔结构X 射线图谱,研究了分层缺陷形成机理,结合力学性能试验结果优化了制孔工艺;K O U R R A 等[４]通过工业C T 技术分析了C F R P 层间分层缺陷的圆度与分布,反演了内壁缺陷的三维几何模型,结果表明,工业C T 技术可以有效评估缺陷大小及位置,但设备昂贵,有辐射危害,难以实现工程化应用.还有很多研究者尝试采用超声C 扫描(折返式扫查)的方式检测孔周围的缺陷.T S A O 等[５]用５MH z 探头结合J S R ＧD P R ００２超声脉冲收发器对不同工艺下的制孔结构进行了常规C 扫描,７２３２ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.建立了分层面积与工艺参数的对应关系.魏莹莹等[６]采用７５MH z 高频超声对铺层厚度为０．２mm 的制孔结构进行了检测,认为分层缺陷的形成通常是一种发生在多层材料上的三维结构缺陷,并提出了一种三维体积分层因子的分层评价方法,但工程中C F R P 结构部件的制孔结构数量大且分布范围广,该方法难以满足在役检测的需求.综上分析,当前迫切需要一种可靠且高效的无损检测手段实现对C F R P 在役孔的检测与评价.本研究即针对C F R P 孔的结构特点,采用螺旋式扫查取代传统折返式扫查,建立了不规则缺陷的最长轴线与孔的公称孔径比值(r a t i oo f t h el o n g e s t a x i s t o t h e n o m i n a l a pe r t u r e of t h e h o l e ,R L N )评价因子模型,然后将算法集成于所研制的便携式仪器软件中,以实现对多种形式分层缺陷的检测与评价.１㊀检测原理与仪器组成常规超声波C 扫描检测扫查方式为折返式,如图１所示,分为扫查轴和步进轴[７].在扫查过程中需要对步进轴电机进行频繁的启停控制,既造成机械冲击又严重影响检测速度.图１㊀折返扫查与螺旋扫查对比F i g ．１㊀C o m pa r i s o nb e t w e e n r e t r ac t a b l e s c a na nd s pi r a l s c a n 本文提出的快速螺旋扫查技术在相同扫查分辨力的前提下无需频繁启停步进轴电机,既可以减小机械冲击,又可大幅提高检测速度.以步进轴的步进精度为０．５mm 为例,若步进长度为１００mm ,则每次检测就可以节省２００s 时间,当步进精度更小㊁步进长度更大时,将节省更多时间.如图２所示,检测时,首先将内置５MH z 点聚焦探头的水套置于待检区域,探头焦点聚焦于工件表面,该探头既作为发射探头又作为接收探头.探头发射的超声波经过水和透声介质后在被检工件中沿直线传播.开启按键后,旋转检测机构连动探头进行螺旋扫查,C P U 实时处理超声波检测数据.当探头位于孔周围时,若孔周围无缺陷,则超声波传播至底面处发生反射,形成反射回波(底波),直至被探头接收,如图２中①所示;若孔周围存在点状小缺陷,则超声波传播至缺陷处会发生反射和折射,反射的超声波被探头接收,形成缺陷回波,折射的超声波继续向前传播,直至遇到被检工件的底面,形成底波,如图２中②所示;当探头位于孔上方时,超声波传播至透声介质底部处发生反射,形成界面波被探头接收,如图２中③所示.若孔周围存在大分层缺陷,则超声波传播至缺陷处会发生反射,传播路径被阻隔,不会形成底波,如图２中④所示[８].图２㊀超声检测原理图F i g ．２㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f u l t r a s o n i c t e s t i n g如图３a 所示,超声波螺旋C 扫描检测仪器包括便携式主机和旋转检测机构两部分.便携检测主机由数据采集卡㊁脉冲收发器㊁控制器及驱动器组成,数据采集卡负责采集超声波信号,脉冲收发器负责触发探头并对超声波回波信号进行放大以易于数据采集,控制器及驱动器控制步进电机完成规定圈数扫查并调理编码器触发信号.如图３b 所示,高精度旋转检测装置主要由步进电机㊁传动减速机构㊁编码器㊁启动按键㊁水密封及耦合㊁探头组成.软件控制电机运行参数,经过机械传动模块驱动检测探头在既定平面内沿渐进螺旋线运动.检测探头激励出的超声波经水耦合传播到被检工件内,获取检测区域质量信息,通过接口传送到上位机进行分析与成像.编码器和精密径向步进扫查机构相匹配,探头扫查精度可达到０．０６５mm .最大扫查范围可达ϕ２８mm ,足以覆盖常规C F R P 孔及其周边可疑区域.２㊀评价方法通过超声检测方式获取分层缺陷C 扫描成像是定量评价的原始依据,至今没有统一的标准.８２３２ 中国机械工程第３４卷第１９期２０２３年１０月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)设计基本组成(b)设备设计图及工作原理图３㊀设备基本构成和工作原理F i g．３㊀B a s i c c o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f e q u i p m e n t国内外学者提出了不同的评价因子,以对分层缺陷进行科学合理的评价[９].当前主要以一维直径分层因子和二维面积评价因子为主.C H E N[１０]提出采用最大分层直径与孔的公称直径的比值作为分层缺陷的评价因子F d,即F d＝D m a x D０(１)式中,D m a x为最大分层直径;D０为孔的公称直径.F d评价因子测量简单,是目前较常用的评价制孔结构分层程度的方法.但当最大分层直径相近,分层面积差异较大时,该方法并不适用.如图４所示,图４a㊁图４b中的最大分层直径(D m a x１㊁D m a x２)相等,F d相同,图４a在单方向发生严重的分层剥离,但图４a的分层面积比图４b的分层面积小很多,分层程度明显小于图４b的分层程度.㊀㊀(a)单方向分层损伤㊀㊀(b)多方向均匀损伤图４㊀F d相等时不适宜情况F i g．４㊀I n a p p r o p r i a t e s i t u a t i o nw h e n F d i s e q u a lF A R A Z等[１１]在考虑分层面积的影响后,提出以真实分层面积与孔的公称面积的比值作为分层评价的标准F a,其表达式为F a＝A d An o m(２)式中,A d为实际分层面积;A n o m为孔的公称面积.F a与F d相比可更好地评估分层的程度,但同样存在不足.因为该方法没有考虑分层向某一方向拓展严重的情况.如图５a和图５b所示,分层面积A d１与A d２相等,评估因子F a相等,但图５a分层缺陷在各个方向的拓展程度相近,而图５b 中分层缺陷沿左下方拓展严重,故图５b中孔周围实际分层更为严重.㊀(a)多方向均匀分布㊀㊀㊀(b)分层扩展不均匀图５㊀F a相等时不适宜情况F i g．５㊀I n a p p r o p r i a t e s i t u a t i o nw h e n F a i s e q u a l在二维面积评价因子模型基础上,考虑不规则分层缺陷向某方向拓展较大的情况,基于静矩原理,建立R L N评价因子数学模型,用以评价C F R P孔分层程度.具体实现过程为:通过二重积分算法确定缺陷与孔构成的不规则面积形心,计算不规则面积内通过该形心的最长轴线,最后得出最长轴线与孔的公称直径比值(R L N).形心确定方法如图６所示.图６㊀不规则面积形心提取模型F i g．６㊀I r r e g u l a r a r e a c e n t r o i d e x t r a c t i o nm o d e l假设图５b中不规则区域是一平面薄片,处于O x y平面中的面积为σ,质量为M,质量密度为ρ(x,y),则质量M为M＝∬Dρ(x,y)dσ(３)其质心坐标(x－,y－)为x－＝１M∬D xρ(x,y)dσ(４)y－＝１M∬D yρ(x,y)dσ(５) ９２３２碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价 杨㊀亮㊀蔡桂喜㊀刘㊀芳等Copyright©博看网. All Rights Reserved.当ρ(x ,y )为常数时,即不规则区域为均匀分布时,M ＝ρσ,质心坐标(x －,y －)即为不规则平面区域D 的形心坐标,则推导出不规则二维图像形心坐标如下:x －＝１σ∬Dx dσ(６)y －＝１σ∬Dy dσ(７)不规则区域中任意通过该形心的直线将该图像分割成面积相等的两部分.从图６中可以看出形心位置明显与孔圆心位置不一致,这是由于分层缺陷向各方向拓展程度不同造成的,当分层缺陷向各方向拓展程度相同时,形心与孔圆心位置应重合.故可通过最长轴线与孔的公称孔径比值大小表征分层缺陷向某方向拓展程度,其表达式为F R L N＝D l o n gD ０(８)式中,D l o n g 为不规则面积最长轴线.仪器的上位机软件计算流程如图７所示.图７㊀软件计算流程图F i g．７㊀S o f t w a r e c a l c u l a t i o n f l o wc h a r t 将图４和图５中单方向分层损伤㊁多方向均匀损伤和分层扩展不均匀三种情况按图７中流程计算以R L N 进行评价,结果如图８所示.由图８可以看出,三种制孔结构中实际分层严重程度从大到小为图８c ㊁图８b ㊁图８a .F d 因子评价结果为F d (c )＞F d (b )＝F d (a )(F d (c)表示图８c 所示的分层扩展不均匀情况下的F d 因子评价结果,其余符号类此表达);F a 因子评价结果为F a (c)＝F a (b )＞F a (a );若按R L N 因子进行评价,D l o n g３＞D l o n g ２＞D l o n g １,结果为F R L N (c )＞F R L N (b )＞F R L N (a ),与实际情况一致.故通过R L N 因子评价分层程度时,既能够涵盖单方向分层损伤和多方向均匀损伤的情况,又可避免由于分层扩展不均匀性导致评价结果不合理的问题,具有工程意义.(a )单方向分层损伤㊀(b )多方向均匀损伤㊀(c)分层扩展不均匀图８㊀不同损伤情况下各评价因子对比F i g ．８㊀C o m pa r i s o no f e v a l u a t i o n f a c t o r s u n d e r d i f f e r e n t d a m a ge s i t u a t i o n s ３㊀实验结果与分析人工试样为层压板结构,板厚为７．８mm ,孔的公称直径为５．２mm .试样共有４个孔,含有１个完好孔,以及３个缺陷孔,缺陷为ϕ１．５mm 平底孔,长度为４mm .分别位于试样厚度方向等间隔三处,模拟上中下三个部位的宽度为１．５mm ㊁长度为４mm 的分层缺陷,如图９所示.图９㊀人工试块F i g．９㊀M a n u a l t e s t b l o c k 使用研制的便携式仪器对人工试样中的孔进行检测,扫查的圆形区域直径为１８mm ,成像闸门设置在底波区域,检测结果如图１０所示.从图１０和图１１中C 扫描和D 扫描成像结果可以看出,不同深度位置的分层缺陷均可检出.孔周围无缺陷时,C 扫描成像结果中,红色区域为扫查区域成像,蓝色区域为孔成像;D 扫描成像结果中,深度方向无缺陷波形.当存在分层缺陷时,C 扫描成像结果中,超声波经过缺陷折射后继续向下传播,形成较弱的底波,故当闸门位于底波位置时,孔周围缺陷的C 扫描成像的色阶介于蓝色和红色之间.上中下三部位的缺陷成像位置不同是因为每次放置的旋转检测机构相对位置不同,不影响检测与评价.D 扫描成像结果中,显示了三个不同深度下的分层缺陷.上中下分层缺陷中R L N 评价因子及分层宽度误差如表１所示.０３３２ 中国机械工程第３４卷第１９期２０２３年１０月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.㊀㊀(a )完好孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)存在上层缺陷孔㊀(c )存在中层缺陷孔㊀㊀㊀(d)存在下层缺陷孔图１０㊀人工试块中制孔结构C 扫描成像F i g ．１０㊀C Ｇs c a n i m a g i n g o f t h e h o l em a k i n g st r u c t u r e i n t h e a r t i f i c i a l t e s t b l o ck㊀㊀(a )完好孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)存在上层缺陷孔㊀(c )存在中层缺陷孔㊀㊀㊀㊀(d)存在下层缺陷孔图１１㊀人工试块中制孔结构检测D 扫描成像F i g ．１１㊀D s c a n i m a g i n g o f t h e h o l em a k i n gs t r u c t u r e i n t h e a r t i f i c i a l t e s t b l o c k由表１可以看出,与分层缺陷尺寸相比,所检出分层宽度误差最大为０．１３mm ,分层长度误差最大为０．１９mm ,R L N 值相近.当前扫查范围下,当孔位于扫查中心时,可测量的最大分层长度为６．４mm ,能够覆盖分层缺陷长度.为进一步验证检测及评价方法,对与人工试块制造工艺相同的C F R P 构件中两个在役孔(１号和２号)进行了检测,公称孔径同为５．２m m ,检测结果如图１２所示.针对１号和２号在役制孔结构进行C 扫描成像分析,可看出１号制孔明显出现大面积分层表１㊀上中下分层缺陷检测结果T a b ．１㊀U p p e r ,m i d d l e a n d l o w e r l a ye r d ef e c t d e t e c t i o n r e s u l t制孔结构分层宽度(mm )分层长度(mm )最长轴线(mm )分层宽度误差(mm )分层长度误差(mm )R L N 值F R L N 上层缺陷１．６２４．１５１１．２３０．１２０．１５２．１６中层缺陷１．６３４．１９１１．４４０．１３０．１９２．２０下层缺陷１．６０３．９２１１．０２０．１００．０８２．１２㊀㊀(a )１号孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )２号孔图１２㊀在役构件中制孔结构检测结果F i g ．１２㊀T e s t i n g r e s u l t s o f d r i l l i n gs t r u c t u r e i n i n Ｇs e r v i c e c o m po n e n t s 缺陷,其长轴为１１．９０mm ,R L N 值为２．２９;２号制孔出现单方向分层剥离缺陷,其长轴为６．０５m m ,R L N 值为１．１６.１号和２号在役制孔结构F d ㊁F a 和R L N 评价因子计算结果如表２所示.表２㊀三种评价因子计算结果T a b ．２㊀C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h r e e e v a l u a t i o n f a c t o r s在役制孔F dF aF R L N１号１．７２２．１１２．２９２号１．１２０．０３１．１６㊀㊀从表２中可以看出,当１号在役孔周围明显出现大面积分层㊁缺陷较严重时,F d 值偏小;当２号在役孔周围单方向分层剥离缺陷较严重时,F a 值偏小,不符合实际严重程度.而R L N 因子评价分层程度时,能够涵盖单方向分层损伤和多方向均匀损伤时的极限情况.１号孔和２号孔服役中的实际形貌如图１３所示,可看出１号孔作为结构件的连接孔,其表面已经出现明显的大面积分层;２号孔近表面也出现了单方向微弱劈裂分层,两孔实际形貌与检测结果有较好的一致性,更进一步说明该检测仪器与评价方法对C F R P 制孔结构的良好适用性,故可以通过比较R L N 值的大小评价分层缺陷的严重程度,该方法适用性强,可靠性高.若在评价因子值与孔性能之间建立评价关系,需要根据标准G B /T３０９６８．３ ２０１４«聚合物基复合材料层合板开孔/受载孔性能试验方法第３部分:开孔拉伸强度试验方法»做大量的有损试验,将获取的有损试验数据(不同分层缺陷大小对孔性能的影响)与无１３３２ 碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价杨㊀亮㊀蔡桂喜㊀刘㊀芳等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.损检测数据(如R L N 值)进行相关性研究和分析,这也是下一步的研究方向.㊀㊀㊀(a )１号孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )２号孔图１３㊀在役构件中制孔结构实际形貌F i g ．１３㊀A c t u a lm o r p h o l o g y o f h o l em a k i n g st r u c t u r e i n a c t i v e c o m po n e n t s ４㊀结论(１)本文提出了超声螺旋C 扫描检测方法,与折返式扫查相比,本文方法在相同扫查分辨力的前提下,既可以避免由于频繁电机启停带来机械冲击,又可以大幅提高检测速度.(２)研制的便携式超声波检测仪器能更加直观和准确地反映分层缺陷的大小㊁位置以及分布状况,以进行缺陷的定量和定位,可满足在役检测需求.(３)基于静矩原理,通过二重积分算法提取不规则缺陷形心,建立了不规则缺陷最长轴线与孔的公称孔径比值(R L N )评价孔质量的数学模型,可对多种类型分层缺陷进行有效评价.参考文献:[１]㊀付鹏强,蒋银红,王义文,等．C F R P 制孔加工技术的研究进展与发展趋势[J ]．航空材料学报,２０１９,３９(６):３２Ｇ４５．F UP e n g q i a n g ,J I A N GY i n h o n g ,WA N GY i w e n ,e t a l ．R e s e a r c h P r o g r e s sa n d D e v e l o p m e n t T r e n d o f C F R P H o l e M a k i n g P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y [J ]．J o u r n a l o fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s ,２０１９,３９(６):３２Ｇ４５[２]㊀S V I N T H C N ,WA L L A C E S ,S T E P H E N S O N DB ,e t a l ．C o r r e c t i o n t o :I d e n t i f y i n g Ab n o r m a lC F R P H o l e s U s i n g B o t h U n s u p e r v i s e d a n d S u pe r v i s e d L e a r n i n g T e c h n i q u e s o n I n Ｇpr o c e s sF o r c e ,C u r r e n t ,a n dV i b r a t i o nS i g n a l s [J ]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r e c i s i o n E n g i n e e r i n g a n d M a n u f a c t u r i n g,２０２２,２３:６０９Ｇ６２５．[３]㊀D U R A O L M P ,T A V A R E SJ M R S ,A L B U ＧQ U E R Q U E lV H CD ,e t a l ．D a m a geE v a l u a t i o no f D r i l l e dC a r b o n /E p o x y La m i n a t e s B a s e d o nA r e aA s Ｇs e s s m e n tM e t h o d s [J ]．C o m p o s i t eS t r u c t u r e s ,２０１３,９６(４):５７６Ｇ５８３．[４]㊀K O U R R A N ,WA R N E T TJM ,A T T R I D G EA ,e ta l ．M e t r o l o g i c a lS t u d y o fC F R P D r i l l e d H o l e sw i t h X Ｇr a y C o m p u t e d T o m o g r a p h y [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ,２０１５,７８(９/１２):２０２５Ｇ２０３５．[５]㊀T S A O C C ,HO C H E N G H．C o m pu t e r i z e dT o m o Ｇg r a p h y a n d C Ｇs c a nf o r M e a s u r i n g D e l a m i n a t i o ni n t h eD r i l l i n g o fC o m p o s i t e M a t e r i a l s U s i n g V a r i o u s D r i l l s [J ]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M a c h i n e T o o l sa n d M a n u f a c t u r e ,２００５,４５(１１):１２８２Ｇ１２８７．[６]㊀魏莹莹,安庆龙,蔡晓江,等．碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法[J ]．航空学报,２０１６,３７(１１):３５１２Ｇ３５１９．W E IY i n g y i n g ,A N Q i n g l o n g ,C A I X i a o j i a n g,e t a l ．D e t e c t i o na n d E v a l u a t i o no fL a ye r e d C a r b o n F i b e r C o m p o s i t e sb y U l t r a s o n i cS c a n n i n g [J ]．A c t aA e r o Ｇn a u t i c a e tA s t r o n a u t i c aS i n i c a ,２０１６,３７(１１):３５１２Ｇ３５１９．[７]㊀方周倩,苗沛源,金肖克,等．碳纤维复合材料孔洞损伤超声波C 扫描无损检测[J ]．纺织学报,２０２２,４３(１０):７１Ｇ７６．F A N GZ h o u q i a n ,M I A O P e i y u a n ,J I N X i a o k e ,e t a l ．C a r b o nF i b e rC o m p o s i t e M a t e r i a lH o l eD a m a g e U l t r a s o n i c C S c a n N o n d e s t r u c t i v e D e t e c t i o n [J ]．J o u r n a l o fT e x t i l e ,L a n c e t ,２０２２(１０):７１Ｇ７６．[８]㊀李刚卿,周庆祥,张晓丹,等．C F R P 层压板的超声检测[J ]．无损检测,２０２１,４３(１２):３２Ｇ３６．L I G a n g q i n g ,Z HO U Q i n g x i a n g ,Z HA N G X i a o Ｇd a n ,e ta l ．U l t r a s o n i cT e s t i n g o fC F R P L a m i n a t e s [J ]．N o n d e s t r u c t i v eT e s t i n g,２０１,４３(１２):３２Ｇ３６．[９]㊀朱萍玉,李永敬,孙孝鹏,等．纤维增强复合材料制孔分层缺陷检测与评价技术研究进展[J ]．中国测试,２０１８,４４(１):１Ｇ８．Z HU P i n g y u ,L IY o n g j i n g ,S U N X i a o p e n g ,e t a l ．R e s e a r c hP r o gr e s s o fD e l a m i n a t i o nD e f e c tD e t e c t i o n a n d E v a l u a t i o n T e c h n o l o g y f o r F i b e r R e i n f o r c e d C o m p o s i t e s [J ]．C h i n aJ o u r n a l o fT e s t i n g an d T e s Ｇt i n g,２０１８,４４(１):１Ｇ８．[１０]㊀C H E N W C ．S o m eE x p e r i m e n t a l I n v e s t i ga t i o n s i n t h e D r i l l i n g o f C a rb o n F i b e r Ｇr e i n f o rc ed P l a s t i c (C F R P )C o m po s i t e L a m i n a t e s [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM a c h i n eT o o l s&M a n u f a c t u r e ,１９９７,３７(８):１０９７Ｇ１１０８．[１１]㊀F A R A Z A ,B I E R MA N N D ,W E I N E R T K．C u t Ｇt i n g E d g e r o u n d i n g :a n I n n o v a t i v eT o o lW e a rC r i t e Ｇr i o ni n D r i l l i n g C F R P C o m po s i t e L a m i n a t e s [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo f M a c h i n eT o o l s &M a n u Ｇf a c t u r e ,２００９,４９(１５):１１８５Ｇ１１９６．(编辑㊀王艳丽)作者简介:杨㊀亮,男,１９９２年生,硕士研究生.研究方向为材料无损检测与评价.E Ｇm a i l :l y a n g ＠i m r ．a c ．c n .蔡桂喜(通信作者),男,１９６５年生,研究员.研究方向为无损检测与评价.发表论文３０余篇.E Ｇm a i l :gx c a i ＠i m r ．a c ．c n .２３３２ 中国机械工程第３４卷第１９期２０２３年１０月上半月Copyright ©博看网. 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考虑孔隙形貌的CFRP复合材料超声散射机理及孔隙率检测方法研究
考虑孔隙形貌的CFRP复合材料超声散射机理及孔隙率检测方法研究碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre Reinforced Composites,CFRP)凭借其优异性能广泛应用于航空航天等领域。
制备工艺决定了 CFRP复合材料内部不可避免地会产生孔隙,当单位体积内的孔隙含量,即孔隙率超过一定值时,复合材料的物理、力学性能均会受到影响,准确可靠的复合材料孔隙率无损检测技术对于复合材料构件的性能控制具有重要意义。
超声衰减法是最常用的CFRP孔隙率无损检测方法,其依据是建立超声衰减系数α与孔隙率P之间的联系,而对复合材料中孔隙导致的超声散射衰减机理的研究是该技术应用的前提和关键。
已有文献中针对含孔隙复合材料衰减机理的研究通常基于以下假设:①CFRP复合材料基体为各向同性均匀介质;②孔隙形状规则,孔隙尺寸唯一或满足某分布函数,孔隙均匀分布;③不同孔隙的超声散射波之间无相互作用,孔隙散射遵从单一的瑞利散射机制。
由于经典研究工作中对于复合材料基体介质和孔隙的假设趋于理想化,所建立的孔隙衰减数学模型过于简单,导致孔隙率与超声衰减系数的理论分析与实验测试结果之间存在较大差距。
为了揭示CFRP复合材料的超声散射衰减机理,提高孔隙率超声检测的准确性,本文根据复合材料的实际属性,以及孔隙尺寸跨度大、形状不规则、分布随机等复杂形貌特征,借鉴随机孔隙模型建模思想,首先建立了真实形貌孔隙模型(Real Morphology Void Model,RMVM)。
该模型能够客观准确地描述复合材料基体属性及孔隙尺寸、形状、分布等复杂、随机形貌,与以往的确定性模型相比,具有实质性的突破,为超声散射衰减机理研究提供了更为有效的模型基础。
随后,借助仿真方法研究了孔隙率、孔隙形貌对超声波传播行为的影响,确认了由于孔隙形貌复杂多变导致的α与P之间存在的非唯一对应关系。
同时,将孔隙尺寸多样性、多孔隙超声散射的相互作用等因素考虑在内,定量分析了不同孔隙尺寸范围以及多孔隙条件下α值的变化规律,提出了 CFRP复合材料中存在瑞利散射和随机散射两种散射衰减机制的观点,并解释了不同尺寸孔隙的散射波相互作用对超声衰减的贡献。
课题研究论文：复合材料构件的超声无损检测关键技术应用
92190 材料工程学论文复合材料构件的超声无损检测关键技术应用一、材料与方法（一）材料在本次实验研究活动开展过程中，为了全面掌控到超声无损检测技术在复合材料中应用技巧，配置了10：1单向玻纤布，同时保障玻纤布厚度为0.5mm，并在双酚A型环氧树脂选用过程中，将其型号确定为CYD-128。
此外，为了满足本次实验活动开展需求，在实验材料准备过程中，亦注重强调了改性铵、3201乙烯基树脂、工业级环烷酸钴、工业级过氧化甲乙酮等的选用。
而在实验设备配置过程中，为了保障实验结果的精准性，注重在实验材料准备工作开展过程中，选用多功能系统超声胶结检测仪，型号为VondaScope 3100，而设备源自NDT Systems Inc公司，就此达到最佳的实验研究状态。
（二）方法在本次实验研究活动开展过程中涉及到的实验方法主要体现在以下几个方面：第一，试件制作方法，即首先在乙烯基树脂浇注体制作过程中，为了满足实验需求，选用3201乙烯基树脂，而在乙烯基树脂浇筑作业环节开展过程中，向实验环境下投入引发剂，如，过氧化甲乙酮等，待固化作业完成后，浇注内部结构。
同时，在内部结构制作过程中，为了规避缺陷问题引发超声检测阻塞信号，需将试件厚度控制在30mm，且分为3个浇注体，继而在3个浇注体设计过程中，将挖孔径分别控制在5mm、10mm、30mm状态下，而在浇注体底部切割中，保障斜槽角度分别为30°、45°、60°，就此满足超声无损检测需求，降低复合材料结构对无损检测的干扰影响。
其次，在玻璃纤维增强树脂基复合材料板材制作过程中，应注重选定真空作业环境，同时在板材成型加工过程中，通过真空压力差，制作所需工件，且注重应用E51环氧树脂，而板材厚度为5mm，胶粘剂厚度为4mm，达到最佳的板材加工状态，提升超声无损检测质量[1]。
再次，在玻璃纤维增强树脂基复合材料制作过程中，需将硬纸片埋入板材中，继而提供实验所需试件；第二，测试方法，基于试件制作完备的基础上，为了保障实验研究结果的精准性，需确定测试方法，即首先在实验测试环节开展过程中，为了精准化实验结果，需引入RF射频模式，对复合材料构件进行超声检测，即以发射-接收探头的方法，反馈A型扫描信号，并利用材料和缺陷声阻抗差异性，获取发射波，继而通过对回波信号的接收，判断材料试块缺陷状况。
孔隙率超声检测技术在复合材料中的应用
递数据。以后就可直接采用ＵＳ５９校准仪器，
以便取得并建立与法宇航相一致的评定基准。并
按规定的检测技术规范实施孔隙率的测量。 从而达到检测结果能以法宇航的标准进行等效评 定的目的。 ５．２但就目前的现状，由于还没有绘制出分贝衰减值与孔隙率的对应关系典线（或数据）， 目前我们仅仅是根据标准中规定的用（中心频率ｌＯ～９１ｚ的宽频带）双探头超声穿透法检测时， 最大可接收孔隙率：２％，相当于－６分贝的衰减，这一要求对复合材料进行孔隙率的质量控制。 对于每一衰减分贝值所对应的孔隙率的含量，尚需做更多的试验。 ５．３孔隙率的含量对超声波的衰减有着不同影响。此方法的建立对于其它类型的复合材料的 超声波衰减与孔隙率的相应关系也具有指导意义。
和
图２（ａ）可以看出当孔隙率较低时，孔隙的尺寸较小而且它们彼此之间相互分离；而当孔隙率 较大时，孔隙的长度均较大而且它们之间的距离也比较近，有时会连在一起，这些较大的孔 隙对孔隙率的大小起了决定性的作用。
４
孔隙率标准的建立
超声检测孔隙率的评定基准是个关键问题，即使是作为抽样破坏性检测孔隙率，也仍然
存在评定基准的标准化的问题。采取“逐次逼近”法建立孔隙率为ｏ％的评定基准的方法，即 按法宇航标准要求，在实施检测的产品上，于相同Ｎ层的区域内寻找对超声吸收最小的部位 作为基准。而每次对送检产品的检测都是取包括本次之前所有产品上所能得到的最小吸收界 限作为评定基准，这样经过多次、火量产晶检测的统计逼近，最终达到或趋近一个最小的吸 收极限，这个最小的吸收极限就定义为理论上的孔隙率为Ｏ％的基准。 我们是以制造出来的碳纤维复合材料层压板结构最好对比试块，且与ＵＳ５９对比试块进行 比较分析，并在理论上就把ＵＳ５９对比试块当作孔隙率为０９６的标准试样，用来校准系统灵敏度。 但这并不是一个很严密的定量条件，所谓孔隙率为Ｏ％实际上是不存在的，只不过将可忽略的 孔隙率（小于０．５％）在理论上看作为ｏ％而已，以便建立基准波高值，从而解决校准检测系统 灵敏度与孔隙率评定的需要。在实际检测过程中我们是以一ｄＢ表示相对孔隙率含量值，并通过 Ａ／Ｄ转换按２ｄＢ量化，分８级色彩记录Ｃ扫描图像来代表相应量化界限范围内的孔隙率。但 要想针对测试的衰减－ｄＢ值找出具体对应的孔隙率含量，则需通过人量的试验测定出以Ｐｖ／一ｄＢ 表示复合材料层压板的内部孔隙率值Ｐｖ的关系曲线。应当指出，随选定校准试块的质量不同， 其测试结果是会有差异的。
复合材料孔隙率的测定ppt课件
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17
本方法需要通过试验测得组分 树脂。复合材料在水中 300h 后吸收水的质量以及复合材料 中树脂质量含量，由公式可求 得体积孔隙率为:
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②吸水测量 法
该方法得到的孔隙率也是 复合材料的体积孔隙率， 由于其它缺陷如裂纹、分 层等的存在对计算结果 的影响，该方法检测精度 与密度测量法差不多，但 是操作过程更为繁琐、耗 时，故其应用效果不及密 度法广泛。
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12
如何测定孔隙率？
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孔隙率的检测方法
鉴于孔隙是评价复合材料的重要指标，因此人 们对孔隙率的检测总结了大量的测量方法，总体来 说复合材料孔隙率的检测方法分为两类: .破坏性检测法
主要包括①密度测量法、②吸水法、③显微照相法 、④酸溶解法
.无损检测法
包括超声波检测法、射线检测法、热红外成像方法
孔隙率0% 增大到 1%时，强度下降约 9%，当孔隙率 增大到 4% 时，强度己经下降32%.孔隙率在 0%-4%，每 增1%，剪切强度平均下降约 8%，基本成线性关系。
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7
孔隙率对弯曲性能的影响
随着孔隙率的增加，弯曲强度逐渐下降，在孔 隙 率小1%时，弯曲性能相差不大，弯曲强度的保持 率为 90%左右，当孔隙率大于 3%时，弯曲强度的下 降趋势趋于平缓，弯曲强度保持率大约只有 75%。
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③显微照相法
该方法是一种常用的对孔隙率做 定量分析的方法。使用前先在所 测试件上选取几个截面，并进行 抛光处理，然后放在配有一定数 量方格参考物的显微镜下观察试 件的抛光截面，最后对落在方格 交叉点上的孔隙进行计数。如图 所示，得到面积孔隙率公式:
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采用这种方法可以看出孔隙的种类、形状、大小 及分布。是目前孔隙率检测方法中精度最高的，但 由于其检测的是局部截面的孔隙率，只能按统计方 法来求出试件整体的孔隙率，因此要获得高的精确 度，必须对大量截面进行检测。因此其精度只比其 它方法相对来说略高一些。
CFRP孔隙率超声无损检测研究与系统实现的5000字论文
CFRP孔隙率超声无损检测研究与系统实现的5000字论文CFRP孔隙率超声无损检测研究与系统实现的5000字论文摘要碳纤维增强复合材料（CFRP）因其高强度、高刚度和轻量化等优异性能，在航空、航天、汽车、体育器材等领域得到广泛应用。
然而，CFRP的制备过程中难免会出现孔隙缺陷，这些缺陷会影响其力学性能和使用寿命。
因此，对CFRP的孔隙率进行无损检测具有重要意义。
本文从超声无损检测的角度出发，研究了CFRP 孔隙率的检测方法，并开发了一套CFRP孔隙率超声无损检测系统。
首先，对CFRP 的孔隙率进行了理论分析和实验验证，得出了CFRP孔隙率与超声检测信号的关系。
然后，设计了超声检测系统硬件电路和软件程序，并进行了系统测试和实验验证。
最后，对系统的性能进行了评价和分析，证明了该系统能够准确、可靠地检测CFRP的孔隙率。
关键词：碳纤维增强复合材料（CFRP）；孔隙率；超声无损检测；检测系统AbstractCarbon fiber reinforced composite materials (CFRP) have been widely used in aviation, aerospace, automotive, sports equipment and other fields due to their excellent properties such as high strength, high stiffness and light weight. However, pore defects are inevitably generated during the preparation of CFRP, which can affect their mechanical properties and service life. Therefore, non-destructive testing of CFRP porosity is of great significance. From the perspective of ultrasonicnon-destructive testing, this paper studies the detection method of CFRP porosity and develops a CFRP porosity ultrasonic non-destructive testing system. Firstly, the porosity of CFRP was theoretically analyzed and experimentally verified, and the relationship between CFRP porosity and ultrasonic detection signal was obtained. Then, the hardware circuit and software program of the ultrasonic detection system were designed, and the system was tested and experimentally verified. Finally, the performance of the system was evaluated and analyzed, and it was proved that the system can accurately and reliably detect the porosity of CFRP.Keywords: Carbon fiber reinforced composite materials (CFRP); Porosity; Ultrasonic non-destructive testing; Detection system一、绪论随着科学技术的不断发展，碳纤维增强复合材料（CFRP）因其高强度、高刚度、轻量化等优异性能而成为研究热点。
CFRP复杂型面构件的孔隙率超声检测方法
CFRP复杂型面构件的孔隙率超声检测方法胡宏伟;李雄兵;杨岳;倪培君;童林军【摘要】An automatic method of inspecting porosity in CFRP (Carbon fiber reinforced plastic) with complex surface by ultrasonic was presented. Through-transmission mode was used to obtain ultrasonic signals of CFRP test blocks with given porosity, and phase-unwrapping method was used to calculate the test blocks phase velocity, and an ultrasonic inspection model based on the relation between phase velocity and porosity was established. The 3D surface data of CFRP with complex surface were obtained by ultrasonic measurement, and then the inspection path was planned after the CAD model had been reconstructed. A multi-degree-of-freedom manipulator was used to acquire ultrasonic signals of CFRP with complex surface, and its porosity was calculated according to the ultrasonic inspection model presented. In order to verify the validity of the presented method, microphotography was used to get the porosity of CFRP with complex surface after block slitting and polishing. The results show that the porosity inspected by the ultrasonic method is in good agreement with that obtained by microphotography.%针对碳纤维复合材料(CFRP)复杂型面构件给出一种孔隙率超声自动检测方法；首先对已知孔隙率的CFRP试块进行超声测量,利用相位展开法求得不同孔隙率条件下的相速度,通过相速度与孔隙率之间的内在联系建立CFRP超声检测模型.针对CFRP复杂型面构件先利用超声测距原理采集其表面的坐标信息,根据曲面反求获得其CAD模型,检测路径规划生成探头运动点位；基于多自由度机械手的喷水耦合超声透射法采集超声信号,结合己建立相速度模型计算CFRP复杂型面构件的孔隙率.为验证本文方法的有效性,通过对已测CFRP复杂型面构件进行试片剖切和抛光,利用显微照相法检测其孔隙率.实验结果表明:2种方法的检测结果吻合良好.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)004【总页数】5页(P1315-1319)【关键词】碳纤维复合材料;复杂型面构件;相速度;孔隙率;超声检测【作者】胡宏伟;李雄兵;杨岳;倪培君;童林军【作者单位】长沙理工大学汽车与机械工程学院,湖南长沙,410114;中南大学CAD/CAM研究所,湖南长沙,410075;中南大学CAD/CAM研究所,湖南长沙,410075;中国兵器科学研究院宁波分院,浙江宁波,315103;中南大学CAD/CAM 研究所,湖南长沙,410075【正文语种】中文【中图分类】TB332碳纤维复合材料(CFRP)具有高强度、高硬度和低密度等优越性能，被广泛应用于航空航天、军工、能源等领域[1]。
复合材料孔隙率的超声检测衰减系数影响因素
复合材料孔隙率的超声检测衰减系数影响因素王铮;何方成【摘要】针对复合材料孔隙率检测需求,研究超声检测参数和被检测材料本身对超声检测衰减系数的影响,间接推断出衰减幅度的影响因素.开展了检测频率、探头类型、检测水距、材料种类对复合材料声波衰减系数的影响试验.结果表明,检测频率越高衰减系数越大,探头声束宽度越大衰减系数越大,不同材料体系的声衰减系数不同.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2018(040)011【总页数】4页(P42-44,69)【关键词】复合材料;孔隙率;衰减系数;影响因素;超声检测【作者】王铮;何方成【作者单位】中国航发北京航空材料研究院,北京 100095;航空材料检测与评价北京市重点实验室,北京 100095;中国航发北京航空材料研究院,北京 100095;中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室,北京 100095【正文语种】中文【中图分类】TG115.28复合材料制件在制造过程中会不可避免地产生孔隙 [1]，制件在受力后，孔隙会进一步扩展成损伤缺陷，从而降低材料性能，孔隙的存在还可能增加水的渗入几率或受其他环境的影响[2-3]。
孔隙含量的不同对材料性能的影响程度也不同[4-6]。
因此，开展孔隙缺陷的定量无损评价技术研究十分重要。
无损评价结果可以用来预测带有孔隙的复合材料制件在使用过程中可能产生损伤的严重程度，从而评估制件的使用寿命。
复合材料层合板中孔隙缺陷的评价方法较多，有超声检测方法[7-9]、X射线计算机层析检测方法、红外热像检测方法、激光超声检测方法等，其中超声检测方法中的幅度衰减法由于具有灵敏度高、可操作性强、实时性好等特点，在工程化检测中得到了广泛的应用。
该方法利用的是孔隙与基体材料声阻抗的不同，声波在含有孔隙的材料中传播时，会引起声波能量的衰减，以及材料衰减系数的变化[10-11]。
衰减幅度测量的准确性关系到孔隙率评价结果的可靠程度[12]，笔者以衰减系数的测量为例，研究了检测参数和材料本身对衰减系数的影响，由对衰减系数的影响因素分析，间接推断出衰减幅度的影响因素。
复合材料构件的超声无损检测关键技术研究共3篇
复合材料构件的超声无损检测关键技术研究共3篇复合材料构件的超声无损检测关键技术研究1复合材料作为一种新型材料，具有轻质、高强、高硬度、低导电率、耐高温等优良性能，在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到了广泛应用。
然而在使用过程中，这些材料可能会受到各种因素的损伤和劣化，如应力、疲劳、水气、高温等，这些将导致材料性能下降，甚至失效，从而影响设备的运行安全。
因此，对于复合材料的检测和评价显得尤为重要。
目前，基于超声波技术的无损检测在复合材料中得到了广泛应用。
超声波无损检测可以在不破坏样品的情况下，通过检测材料中的声波反射、折射、散射等信息来检测材料的缺陷、腐蚀和微观结构。
随着材料科学和超声波技术的发展，超声波检测技术在复合材料上的应用和研究得到了更深入的发展。
本文将重点阐述复合材料构件的超声无损检测关键技术研究。
一、超声波检测原理超声波是指高于人类可听声音频率的机械波，其频率通常大于20kHz。
声波在材料内的传播受材料的密度、弹性模量、泊松比、拉伸强度等力学参数影响。
在无损检测中，通常采用一种声速较高、穿透性较好的波进行检测。
当声波碰到材料中的缺陷或界面时，它会从这些位置反射或散射，构成一个回声信号。
信号的强度、幅度、相位等参数可以反映出材料内的缺陷大小和位置、材料的结构、组成和工艺参数等信息。
二、超声波检测技术超声波检测技术主要包括单元和阵列探头的设计、信号处理、成像和判定等环节。
1、探头设计超声波探头是进行超声波检测的关键部件。
探头的结构形式主要有单元探头和阵列探头两种。
单元探头只能发射或接受直线声波，其角度和深度探测范围有限。
而阵列探头可以发射或接受多个声束，可以在多种角度和深度下同时检测，可实现立体成像。
2、信号处理声波的回声信号处理是超声波检测技术中的一个重要步骤。
信号处理需要对信号进行滤波和增益控制，以产生清晰的声波回波信号。
3、成像和判定成像和判定步骤主要利用计算机技术对信号进行处理，产生成像图像，通过对图像进行分析对材料内部的缺陷进行定位、分类和评估。
复合材料的超声波检测
复合材料的超声波检测文章结合笔者相关工作经验，对复合材料的分类及超声波检测的特点进行了阐述，随后重点就复合材料的超声波检测进行了分析。
标签：复合材料；超声波检测一、复合材料的定义及分类复合材料是指用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。
其基体材料名称与增强体材料并用，强调基体以及强调增强体时以基体材料的名称为主复合材料的分类有：（一）按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥基复合材料，碳基复合材料；（二）按增强材料形态分为以下三类1、纤维增强复合材料：连续纤维复合材料，非连续纤维复合材料；2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。
4、层叠复合材料（二）按材料作用分两类1、功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能；2、结构复合材料：应用的材料的力学性能。
二、复合材料的检测难点复合材料因能有效提高飞机性能，减重效果显著，在军民机的研制中应用越来越广，随着科学技术的发展，各类新型复合材料被有效利用。
在某型飞机的研制中，设计人员为保证零件的外形和减重等，采用了一种新型的复合材料结构，即以碳纤维环氧预浸料为面层以聚甲基丙烯酞胺泡沫塑料为夹芯的夹层结构。
泡沫夹芯材料为多孔疏松材料，其特殊性能不仅给制造工艺带来很大的难度，而且也为检测其内部粘接质量造成了极大的困难。
其检测的主要难点有：（一）泡沫夹芯的不致密性带来了很大的超声波衰减，对于碳纤绚泡沫夹芯结构难于得到来自泡沫夹芯的反射回波，这给检测胶膜和泡沫夹芯间的缺陷造成了较大的难度。
（二）某型机使用碳纤细泡沫夹芯结构制造的零组件外形结构复杂，结构过渡区多，因此易产生的缺陷部位多，产生缺陷的类型多，需对缺陷进行准确的定量、定性。
（三）设计人员对这种结构制造的零组件的验收标准很严，要求能够检测出的最小缺陷仅为中3lun。
复合材料的超声检测技术
复合材料的超声检测技术复合材料无损检测主要应用于以下3个方面：材料无损检测；结构无损检测；服役无损检测。
材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。
结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。
服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。
大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。
复合材料制品超声检测方法主要有一下6种。
1、超声C扫描检测技术超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B型显示和C型显示。
A型显示是基础，其他两种显示方式均由A型显示的数据重建得到。
其中，C型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、横坐标，所以C型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像，并作为最常用的显示结果提供给最终用户。
超声C扫描是具有C型显示功能的探伤方法，在宏观缺陷检测中，常用频率为0.5～25 M H z的探头，采用脉冲反射法进行检测。
超声C扫描由于显示直观，检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的技术。
目前C扫描检测技术能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类缺陷。
K.Lemster在研究金属基复合材料的机械性能时，使用超声C扫描对材料内部的均匀性和裂纹进行了检测。
国内魏勤等人利用超声C扫描对碳化硅颗粒增强铝基复合材料试样进行了检测，可以清晰地看出材料中的团聚和孔洞。
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复合材料孔隙率的超声检测方法探讨姓名：学号：摘要: 简单介绍了复合材料中孔隙的形成原因, 叙述了孔隙率对材料机械性能的影响, 综述了孔隙率测量的超声无损检测方法现状, 说明了目前各种检测方法的检测效果和优缺点, 并对将来孔隙率的检测方法作了展望。
关键词: 孔隙率; 复合材料; 超声检测孔隙是复合材料最常见的微小缺陷。
孔隙的出现会降低材料的性能, 如层间剪切强度, 纵向和横向的弯曲强度和拉伸强度、抗疲劳性以及高温下的抗氧化性能等。
即使孔隙含量很小, 也会对材料的寿命造成很大的影响[1- 4], 因此孔隙率的检测对复合材料的性能保证非常重要。
目前比较常用的无损检测方法是超声波检测, 国内外已对此种检测方法做了不少的研究, 并取得了一定的进展。
1 孔隙的形成及对材料的影响由于复合材料比较复杂的加工工艺, 完全没有孔隙的复合材料是没有的。
一般来说, 空隙的形成有两种原因[5]: 一是制作过程中树脂未完全浸润或叠层间空气未完全排除, 造成空气存留在其中, 这种原因形成的孔隙一般数量较多, 形状是扁圆形或拉长形; 二是由于工艺过程中产生挥发性物质, 这时形成的孔隙一般呈圆形, 孔隙数量较少, 孔隙的尺寸一般较小, 直径为几微米到几百微米。
评定孔隙对材料影响程度大小的定量指标是孔隙率, 有面积孔隙率和体积孔隙率两种定义。
面积孔隙率是单位面积所含孔隙的面积的百分比, 体积孔隙率是单位体积所含孔隙的体积百分比。
具体根据实际检测技术的不同采取不同的指标描述。
复合材料的机械性能对孔隙十分敏感。
ALmei2da[6]等人用实验证明, 即使孔隙的存在对材料的静态强度只有中等程度的影响, 它却可以使疲劳寿命显著下降。
研究指出, 孔隙率在0% ~ 5% , 每增加1%, 其层间剪切强度平均下降7% 左右, 其他性能如弯曲强度以10% 左右的比例下降, 弯曲模量则以5% 左右的比例下降。
不过孔隙的存在并不是对材料都具有有害的影响。
对大多数材料来说, 2%是一个可以接受的上限。
因此大多数研究集中在检测范围在1% ~ 5% 的孔隙率缺陷。
2 孔隙率超声检测方法孔隙在材料中的分布、形状和大小很复杂, 这就使得对孔隙率的检测十分困难。
通常, 复合材料孔隙率的无损检测方法分两大类: 超声检测法和射线检测法。
由于超声波具有穿透能力强, 方向性好, 灵敏度高, 且对人体无害等优点, 超声检测法是目前用于复合材料最通用的无损检测技术。
当复合材料中含有孔隙缺陷时, 超声波的衰减会很厉害, 影响超声波的传播速度,因此孔隙率与超声波衰减量和速度存在一定的相关性。
大多数超声检测方法都是通过建立超声特征参数的变化与孔隙含量之间的关系来对复合材料孔隙含量进行评估。
另外, 背散射和超声波导波也是目前复合材料孔隙率的新型检测方法。
2. 1 传统超声波测量2、1、1 超声波速度变化测量法D E W St one 和Clarke[7]等人所做的实验中, 假设超声波入射前的速度是2980m/ s, 试样厚度为2mm的碳纤维复合材料板, 当试样无孔隙时的超声波穿透时间为1. 342Ls; 当试样孔隙率为1% 时, 超声波穿透时间为 1. 359Ls; 由于孔隙率的不同而引起的超声波穿透时间变化为17ns, 大多数的测试仪器很难达到这种检测精度, 另外, 超声波的传播速度还受测试条件、环境的影响, 所以, 通过超声波速度的变化检测孔隙率的方法较少采用。
目前, 普通的孔隙率检测方法是通过检测超声衰减量来判定复合材料的孔隙率。
2.1 .1. 2 超声波衰减量测量法把由相同孔隙率的变化引起的衰减变化和速度变化相比较, 超声波的衰减量的测量相对比较容易, 采用超声波衰减反映复合材料内部的孔隙率也更为灵敏。
下面几种方法主要从超声波的衰减与复合材料内部孔隙率的关系方面进行了研究。
( 1) 时域分析法人们在进行实验研究的同时, 也试图建立超声波在材料中传播的模型, 进而找出超声波的衰减量或传播速度的变化与孔隙率大小之间的关系, 首先在时域中对孔隙率检测的超声波信号进行了分析。
D E W St one 和Clarke[ 7]等人建立了超声波的衰减与孔隙率的关系, 他们认为超声波的衰减包括前表面的损失、后表面的损失和在复合材料内部的损失。
由于在不同的孔隙率时孔隙的形状有所不同, 他们的模型以孔隙率 1. 5% 为界呈两个线性关系, 如式 1 和式 2 所示。
A= a1( f ) Vv+ b1( f ) VvVv< 1. 5% ( 1)A= a2( f ) Vv+ b2( f ) VvVv> 1. 5% ( 2)这里, A是材料的超声衰减系数, a1, a2, b1, b2 是频率的函数, 对于给定的频率, 它们是常数。
Vv是孔隙率。
实验结果说明, 双线性关系可以对实验数据进行更好的拟合。
此外, Martin[8]也建立了一种模型。
该模型认为孔隙形状为球形, 所有孔隙的半径都是相同的, 且衰减率与半径的四次方成正比。
该种模型误差较大, 只在孔隙率小于1. 5% 时近似成立。
理论公式法虽然可以直接应用公式来建立超声波衰减与孔隙率的关系, 但由于含有某种假定, 公式中的常数并非实验得来, 而是直接计算出来的, 因此, 当材料的特征未知或实验情况有变化时, 这种方法计算出的结果误差较大。
( 2) 频域分析法除了在时域内进行分析以外, H. Jeong[ 9]、K.H su[10, 11]和M. S. Hughes[12]等人在频域内对孔隙率引起的超声参数的变化进行了分析。
他们通过分析超声波的衰减和频率的一阶导数得到了超声波的衰减与孔隙率的关系, 如式3。
dA/df= k( s) Vv (3)这里, 参数k 是孔隙形状s 的函数, A是材料的超声衰减系数, Vv是孔隙率。
在频域分析法中, 把超声波的衰减看作整个频带上对频率的函数, 根据衰减率对频率的导数确定材料中的孔隙率。
由于材料中孔隙分布的不均匀性, 为得出衰减率对频率的导数, 往往在多个位置进行测量, 然后计算平均值。
从实验结果来看, 衰减率对频率的导数与孔隙率之间有良好的线性关系, 而且随着孔隙率的增加, 中心频率也会单调下降, 中心频率的下降与孔隙率也存在线性关系。
对于不同的材料, 乘以不同的常数(由材料中孔隙的分布和材料决定)确定相应的线性系数。
另外, 他们还将速度的改变与孔隙率联系起来。
应用他们建立的这种模型时首先用同种材料对公式中的常数进行标定, 然后用公式来确定被测材料的孔隙率。
由于模型能够由实验来标定, 这种方法有较强的实用性。
( 3) 法宇航的检测方法[13]此方法的基本原理是: 首先测量超声波在水中的衰减以及该材料的一些相关参数, 然后利用这些测得数据确定复合材料的面积孔隙率。
他们认为超声波的衰减主要由以下几个方面的原因引起: 不同介质界面间的反射、材料本身对超声波的吸收以及其他类型的缺陷对超声波的吸收; 由孔隙引起的超声衰减与孔隙面积有关而与孔隙体积无关。
只要事先测得该种材料表面处的衰减, 及在无孔隙时复合材料一层引起的衰减, 并且知道该材料的层数, 在测出材料对超声波的总衰减后可以计算出其面积孔隙率。
该方法要求用不含孔隙的材料对每层材料的超声衰减系数进行测定, 但不含孔隙的材料本身难以制造,因此这种方法不易实现。
( 4) 待定系数法待定系数法是将超声波的衰减看作是四个方面的综合效果: 树脂对超声波的衰减As,碳纤维对超声波的衰减Af, 孔隙对超声波的衰减Av和其他方面引起的衰减Ao。
且假定这四项衰减各自独立, 互不相干, 有At= As+ Af+ Av+ Ao通过建立以上四项衰减的模型, 并考虑了不同大小孔隙率对衰减的影响, 同时引入了/ 等效分布孔隙率0, 将其他缺陷引起的衰减折算成孔隙率引起的衰减。
浙江大学的宋立军[13]和周晓军[14]等采用了时域中的待定系数法对碳纤维复合材料的孔隙率检测进行了实验研究。
他们首先用超声波检测系统测出复合材料板各处的超声衰减系数, 然后利用破坏性实验得出相应位置的孔隙率。
根据已得到的数据可以求出上述公式中的系数, 然后以此公式来对同一批复合材料进行孔隙率的检测, 检测结果比较不错。
2.1. 1.3 极角背反射法( P olar Backscat ter)在医学领域中的超声研究表明, 超声背反射信号比超声传播速度和宽带超声衰减能更好地表示骨质情况[ 15]。
同样的研究也用在了复合材料的孔隙率检测中。
科学家们做了很多工作研究背反射与孔隙率的关系, 验证说明超声波背反射对纤维增强复合材料中的孔隙率比较敏感。
J. Qu 和J. D. Achenbach[16]对多重纤维增强材料中的孔隙率与背反射的关系进行了研究。
在一定的理论模型基础上, 研究说明, 孔隙率越高, 背反射越高。
在复合材料方位角为450的倍数时, 信号的背反射幅度对数值有很陡的变化。
如图 1 所示。
R. A. Robert s[ 17]等人在前人研究的基础上, 又把极角背反射检测孔隙率的方法推广到多方向纤维增强叠层复合材料的孔隙率检测中。
通过各方位角的背反射扫描得出结论在较大极角和较低频率的条件下,孔隙率的分辨率情况最好。
R. A. Rober ts 使用的背反射试验装置如图2 所示。
超声背反射方法一般把探头固定在某一极角上,让浸在水中的复合材料试样沿着一定的方位角旋转,通过单探头或双探头接收信号。
改变方位角从而获得试样全部方向的背反射信号。
2. 2 导波测量法对于复杂的构件, 由于结构表面形状的复杂性, 以上讲述的传统超声波测量方法不再有效。
而导波由于衰减量低, 与厚度无关, 可以用来处理复杂外形构件的孔隙率检测问题。
对于表面曲率突变或不平整的工件, 其典型的加工过程是使用数控机床把预料坯切成薄片, 然后以特定的顺序叠在一起, 在高压锅里冷却时, 在可控的温度压力周期下使用真空包排出里面可能的空气和挥发气体。
加工过程中温度压力周期的变化导致复合材料中孔隙的出现, 特别是在次表面区域, 孔隙率比较高。
所以, 采用导波里的一种, 即表面波可对次表面的孔隙率进行测量。
文献[18]详细介绍了采用表面波测量复杂结构孔隙率的方法。
对孔隙模型进行分析建立后, 对复杂构件的表面波边界条件也作了详细的讨论, 并通过实验数据验证得到了重要的结论, 那就是在石墨环氧织物的互相垂直的方向上, 表面波的速度和频散在没有孔隙的结构中和在有孔隙的结构中有明显的不同。
相对于没有孔隙的结构, 在有孔隙的结构中传播的表面波速度和频散要大一些。
此外, 这里所用的表面波探头也与常规的表面波探头有所不同。
针对复杂的构件,设计了一种特殊的线源斜楔换能器( Line SourceWedge T ransducer) , 通过一种中间块( Mediat or) 的作用, 换能器可与结构表面很好地耦合, 并在复合材料中产生表面波。