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。
定。测试结果见倒１。实验表明孔隙对超声波的衰减在１０删ｚ内随着频率的增加单调增加。
３ ３
孔隙幸的醢坏性铡定
３ ３ｌ化学酸蚀测试方法
将试片制成２０Ｘ１０Ｘ２ｍｍ５大小，进行烘干、称重、酸蚀等，对分离出纤维与树脂再分别
称重并用公式计算出：
ａ
纤维与树脂的体积百分率 ＰＦ＝。ＤＩ Ｘｍｆ
ＰＲ＝０００—ｍｆ、ｘ告
砟（％）：纤维体积含量，ＰＰ（％）：树腊体积含量，
ｍ，（％）：纤维的重量含量，Ｉｂ（ｋｇ／ｍ
３）： 层压板密度， 树脂密度。
２），（ｋｇ／ｍ’）
ｂ孔隙率古量
纤维密度，Ｄｒ（ｋｇ／ｍ１）：
异爿一Ｒ—Ｂ
根据公式计算出试片的原始重量和体积百分率的纤维重量和体积含量、树脂和孔隙率体 积禽量的平均值。表ｉ是对】＃、２＃、３＃试块的孔隙率测试值：
口Ｔ＝ｃＲ月’Ｒ＋ｃＦ厂３尺；斥＋Ｃｖｏ．８（ｇ器．８）３／４一时１晶．８＋ｃｖＩｏｇ§１．０厂２ Ｗ＋１墨．ｏ－Ｉ－口ｖ３
其中当材料的总体积不变时，有关含量应满足总量不变关系：
（１）
．２Ｉ．
Ｒ诉喁爿
以上式中： 听、口ｖ３——总的，及由满足＾ｍ＞ｌ关系的孔隙所日Ｉ起的卢衰减系数， Ｇ、昂—分别与树脂、碳纤维的几何、声学特性有关的常数，
（２）
矗。．０“，肌一，日厂与满足ｋＪＲ６０
关的常数，
８、０ ８＜南ＢＥｌ
０关系的孔隙的几何和声学特性有
辟．肝—一碳纤维、孔隙的半径．
矗。．片一满足血脚８、０．８（“畦ｌ＿０关系的孔隙含量与总孔隙含量的比值，
吊，异、厅—一树脂、碳纤维和孔隙的含量，
—按统计规律得出的用以表征Ｒ与ｍ之间相关关系的常数，
产—超卢波的中心频率。
在孔隙率的实际检测过程中．一般闻定地用某一频率的超声波进行，因此，可归并入常数
中。且假定已选择适当的频率＾使关系式＾ｍ到Ｏ满足，因而可消击ｏ。；项。
事实上，Ｐｏ一和＾。是很难确定的。在忽略口。，的情况下，同时在＾扁＜８的情况下，与Ｒ的
关系均小于耳。可以看出ａＴ随＾的变化基本上在＾和碍之间。而是月；ＩＲ、砰的线性组台来
Ｐｖ＝（一ｃ．＋届ｊｉ司／２ｃ：
（４）
３
２
超声Ｃ扫描检测实验测定结果
鋈爱
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Ｉｌｉ番
一２２－
目１目ｊ镕￥ｃ日描植Ⅲ或博囱
选用３块尺寸为８０Ｘ２５Ｘ ２ｍ寸的碳纤维复合材料工艺试件ＬｊＵＳ５９对比试块． 州ＵＰＲ－－９型超声Ｃ扫描检测系统与１０ＦＪｉｚ的纵被探头，喷水耦台，咀喷亦穿透方式进行衰减测
着其它测试方法不可替代的优越性。
参考文献：（略）
．２５—
３
层压结构件孔隙率检测原理
层压结构件孔隙率的检测，目前采刚较多的方法之一。就是超声穿透法。测量由受检部
位存在孔隙率造成的衰减米进行的。众所周知，在通常。ｆ：程上无损检测所使用频率范围内的 超声波对于空气界面儿乎全反射，碳纤维复合材料层压结构内部孔隙率只能在树脂中出现， 并且主要是在层压板之间的贫脂区域中，在多层的碳纤维层间孔隙率存在和分布密度会阻止 声能的传播，由于超声波部分被拦截而造成衰减。对于同一区域上相同的铺层处，在同一灵 敏度扫描条件下所对应的衰减值和孔隙率，而产生对应穿透声波衰减值ｄＢ的量化记录。 ３．１孔隙率声衰减理论 考虑材料中仅含有孔隙缺陷，则碳纤维复合材料的声衰减理论模型为：
５．４通过化学酸蚀测试所得孔隙率含量值与超声Ｃ扫描检测所得孔隙率含量测试值进行比较
分析，其结果趋于一致。
５．５无论是金相测试法还是化学酸蚀测试法，它们都是一种破坏性的测试方法，而且所测值
也是随炉件的局部值并不能完全如实反映整个零件的质量。而超声测试方法是对整个被测件 进行无损测试，能如实反映同一被测件上每一区域孔隙率的质量状况。因此，超声测试法有
图３孔隙率与衰减值的典型关系曲线
５结束语
５．１超声检测孔隙率的结果将会冈所选川的标准试样存在的著异而导致测量结果有所不同。 Ａ３４０复合材料层压结构件孔隙率的检测是按法宇航规定的标准验收，冈此评定基准必须与法 宇航的相同。利心法宇航的孔隙率为０％的标准试样与ＵＳ５９试样进行对比测试，标定山等效传
．２４．
试块号
１ ２ ３
化学酸蚀结果
超卢检测结粜
０ ２６％
３
３
２金相测试方法（孔隙形态的观察） 本文对两组试块先后经过表面处理的９６个表面进行观察，井对所拍的１５００余张照片进
行分析和统计，结果表明对于孔隙率较＾的试块如１＃和３＃，有许多孔隙多山现在层间．而且 它们不具有圆形的截面。图２（曲所示为试块１＃的显静形貌（放大倍数为２５０倍），幽中可以
近似在一定孔隙率范围内的孔隙引起的超声波衰减，这时式（１）便被简化为：
ａＴ＝ｃｏ＋ｑ Ｐｖ＋Ｇ群
其中Ｇ、岛、岛为常数。
பைடு நூலகம்
（３）
考虑材料中存在的各种缺陷引起超声波的衰减，而影响到孔隙率的检测精度问题。我们 从孔隙率概念推导得到的理论关系式（Ｉ）山发．考虑其它缺陷的当量影响，结合对材料特性与 检铡特征的分析，及超声衰减测量与实际孔隙率的破坏性实验，犀后得到分布当量孔隙率与 声衰减之间的检测关系式。
清楚地看到孔隙沿着层问发展，它们多呈扁平状，具有较小的竞Ｋ比。幽２（ｂ）为试块３＃的显
微形貌（放大倍数为２５０倍），可以更加清楚地看到扁平状孔隙的微观结构。而对丁孔隙率较
圈２孔隙∞＆徽Ⅳ＆
小的试块如２＃，孔隙的截面剡多呈圆形。图２（ｃ）为２并的显微形貌（放大倍数为１０００倍）， 从图中可以看出２：｝；的孔隙与１＃相比具有较小的尺寸，而且形状更加接近圆形。比较图２（ｃ）
２测试方法的确定
超声检测技术是目前用于复合材料最有效的无损检测方法之一。由于孔隙率对超声波的 衰减作用．和超声波在不同介质界面上的反射作用等，当复合材料中含有孔隙等缺陷时会产 生超声波能量的衰减，并影响其声能的传播，从而孔隙率与超声波衰减量之间存在一定的相 关性。在本文中，我们采用了脉冲穿透法方式测取实际孔隙率Ｒ的方法。 通过目前所掌握的信息，对复合材料孔隙率测量比较直观、准确的方法是采用超声Ｃ扫 描彩色成像检测，针对标准确定以不同的色彩对应表示孔隙率的含量。但须建立孔隙率为０％ 的标准试块，以提共孔隙率检测评定的基准。
超声检测技术在复合材料中的应用
陈友林
（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都６１００９２）
摘要：
本文依据法宇航标准，针对超声衰减系数与频率之问存桎线性关系，对复合材料层压板结构件采
用超声检测技术进行孔隙率检测与分析，讨论孔隙率评定基准，建立检测方法，并实施应用中提出以“逐次 逼近法”和对法宇航标准的等效传递来确立鹏孔隙率的基准，从而解决了采用穿透法标定孔隙率的方法。并 在Ａ３４０反推力门复合材料层压板构件上得以实施应用．
关键词：
１
复合材料孔隙率衰减
问题的提出
复合材料的孔隙率检测是一项新技术，由于复合材料的结构和制造］：艺有不同于金属材
料的特殊性，影响材料性能的不仅仅是分层、夹杂、疏松等材料宏观缺陷，孔隙是碳纤维复 合材料中最常见的缺陷之一。孔隙的出现严重影响了材料的力学性能，不但降低了材料的剪 切强度、弯曲强度、抗拉和抗压强度，对材料的疲劳寿命也有显著影响。所以孔隙率是碳纤 维复合材料层压结构件质量评定的重要指标之一。因而仅对复合材料宏观缺陷进行无损检测 不能完全满足保证复合材料质量的要求。