复合材料研究领域对几种无损检测技术的对比说明

复合材料研究领域对几种无损检测技术的对比说明复合材料是两种或两种以上具有完全不同的机械性能、热学性能和电性能材料的组合。

复合材料由于其较高的材料性能，广泛应用于航空、航天、航海、汽车、体育等行业的结构材料领域。

导读然而，在复合材料制备过程中形成的孔洞、分层或纤维分布不均匀等缺陷会严重影响复合材料的力学性能。

本研究采用热成像法、高频涡流检测法、超声波检测法、x 射线成像法、x 射线断层扫描法、高分辨率x射线CT等方法对碳纤维复合材料的显微组织进行了表征。

然后，采用连续抛磨切片技术对同一试样进行了三维重构。

为了更好地分析这项工作的结果，并为复合材料中包含的所有特征和缺陷提取一个清晰的体积图像，对数百个显示微观结构变化的三维无损检测和多序列扫描图像进行了深入的比较。

(图片与内容无关)试验概况介绍复合材料由两种或两种以上的材料制成，以利用组件达到的理想特性。

复合材料通常由增强剂（纤维）和相容的树脂粘合剂（基体）组成，以获得所需的性能。

先进的复合材料可以分为分层结构和三明治夹层结构。

分层结构是粘合在一起的复合材料层或堆积材料层，而夹层是由复合材料薄层（蒙皮）之间的低密度芯组成的多层复合结构[ 1 ]。

为了评估几种成像无损检测方法在检测可能影响碳纤维复合材料力学性能的所有特征和缺陷方面的测量效率，本研究的目的如下：1.. 在手工铺敷的固化过程中，通过改变真空压力来制造具有预定孔隙度和分层的碳/ 环氧复合材料。

2.. 进行多种3 D- NDE 成像技术检测，以表征碳/ 环氧复合材料特定区域中包含的所有微观特征。

3.. 实现自动连续切片，对成像无损检测技术提供同一区域内数百层的真实图像。

样品制造方法4. . 对通过无损检测成像测量的样品厚度得到的大量图像与自动连续切片得到的图像进行深入比较。

将其中无损检测成像测量获得的每个图像分别与其他无损检测技术获得的相应图像和同一区域内的自动连续切片成像进行比较。

以单向碳纤维Toray T 700 、EPONTM 828 环氧树脂和固化剂EPIKURETM 3223 （ 固化剂） 为原料， 制备了碳纤维复合材料。

样品采用手工铺敷真空包装工艺制备。

根据A ST M 标准建议的尺寸( 200 mm X 25 mm)[ 2 ] 切割碳纤维样品。

如图1 所示， 对碳纤维复合材料样品中标记的特定焦点区域( 50 mm X 25 mm) 进行了几次无损( NDE) 和破坏性试验。

(FIGURE 1. 碳纤维复合材料样品显示了所有无损检测和破坏结构检测技术测试的焦点区域。

)1. . 热成像法 Thermography对样品进行了脉冲热成像( PT ， Pulse thermography) 和脉冲相位热成像( PPT ， pulse phase thermography) 。

在热成像测试过程中， 用闪光灯对被测物体表面进行瞬间加热， 然后用红外摄像机监测被测物体表面的温度分布。

当物体内部存在缺陷时， 这些缺陷会干扰从表面流出的热量， 从而导致表面温度分布不规则。

通过观察这些不规则的温度区域， 可以识别内部缺陷。

使用的实验装置如图2 [ 3 ]所示。

2.(FIGURE 2. 红外线热成像仪装置).3.高频涡流检测 High Frequency Eddy Current电磁感应用于涡流检测导电材料表面及其附近的特征。

使用涡流装置进行试验，涡流装置在反射模式下工作，如图3 所示。

对于织构分析，测试系统利用碳纤维的导电性来获得结构信息，例如：隐藏层的纤维方向、纤维间距和纤维分布。

扫描间距X轴为0 . 5 mm， Y轴为0 . 5 mm。

对样品的两侧进行了测试[ 4 ]。

(FIGURE 3. 高频涡流检测装置)4.. 超声波测试 Ultrasonic Testing超声测试使用超声波扫描D 6000 进行。

扫描频率50 M Hz。

将样品置于去离子水中，传感器在样品上沿两个方向移动一定距离。

当超声通过水介质传播时，部分波从样品的顶面反射回来，称为表面回波[ 4 ]。

5.. X射线照相技术 X- Ray RadiographyX 射线探测器是一种具有0 . 75 mm Cd Te 传感层的直接转换光子计数探测器。

直接转换和光子计数技术提供较低内部不清晰度和高对比度灵敏度成像[ 6 ]。

X射线分层扫描成像在三维空间中观察横向延伸的物体，而不用将其切割成小块[ 6 ]。

它需要X 射线源和被成像物体之间的线性相对运动，该运动被固定在数字探测器阵列上。

要么探测器和物体都移动，要么X射线源移动。

图4示出了用于层摄影扫描的实验装置[ 5 ]。

6.. 高分辨率X射线计算断层扫描CT， Computed Tomography高分辨率X 射线计算机断层扫描（ CT- scan ）通过获取物体内部几何和机械性能的数字图像，可视化固体物体内部特征[ 1 ]。

CT 技术是一种非破坏性的切片技术，它描述了被扫描的物体如果沿着一个平面被切开时的样子。

每个CT 切片对应于被扫描物体的一定厚度。

高分辨率X 射线计算机断层扫描（ CT ）提供了完整的360 ° 数据集，在这些数据集中，缺陷的自动分析是可能的，并且已经建立了良好的基础[ 6 ]。

7.. 连续抛磨切片技术Automated Serial Sectioning连续抛磨切片是一种破坏性的方法，用于表征和量化复合材料的内部所有特征，因为该方法揭示了复合材料样品的内部结构，并对样品中包含的所有特征和缺陷的类型、形状、尺寸、分布和位置提供了清晰的概念。

使用Robo- Met. 3 D 自动对样品进行全方位的厚度连续切片，可获得多大300 片以上的厚度，如图5 所示。

无损检测结果1. 热成像仪结果将所记录的样品温度响应作为PT 、PPT 振幅和PPT 相的图像进行评价，显示了所选的结果。

PT图像显示与PPT振幅图像相似的结果。

然而，如图6 所示，在PPT相位图像中通过合适的衬度图像可以反映缺陷情况。

2. 高频涡流检测结果如图7 所示，高频涡流测试显示碳纤维在复合材料中的纤维取向。

交织结构碳纤维复合材料中的空洞、分层等缺陷是涡流检测的难点。

涡流图像显示了一些异常，即样品表面的一些空洞类型。

但是，如果使用更高的频率，则可能检测到一些表面缺陷。

3.超声测试结果超声波检测给出了几层的扫描图像。

表面附近的检测层的图像显示了一些空洞和分层的迹象，如图8 （ a）所示。

但是，由于后向散射和后向反射，超声波无法在样品中深入，如图8 （ b）所示。

因此，超声结果与热成像结果一致，增强了热成像样品上下表面附近的信息。

4. X射线分层扫描成像法结果与X射线照相相比， X射线分层扫描的优势在于它可以通过样品的厚度提供数百次扫描，这有助于提供有关空隙含量的深度信息。

图10 示出了由Image J 软件获得的图像，该软件示出了X 射线层摄影如何给出通过X 射线照相获得的图像的深度信息。

5. 高分辨X射线CT扫描成像X 射线CT 与X 射线分层扫描具有相同的测量机制。

但是， X 射线CT 围绕样品旋转 360 度，而不是X射线层照相旋转45 度。

因此，如图11 所示， X 射线CT 提供了360 度的数据集，这导致比X 射线层摄影更高分辨率的空洞图像，因为没有伪影。

另外，取2400 张X射线CT扫描图像的平均值，可以得到非常准确的空隙率。

1.6. 自动连续抛磨结果Robo- Met. 3 D 自动连续抛磨切片技术应用于样品三维重构显示了高水平的准确性，因为其创建生成并成像了300 多个切片，样品厚度为4 毫米。

连续切片检测复合材料的所有特征和缺陷。

它揭示了复合材料内部结构的所有细节，如分层和空隙的体积、形态和分布，以及纤维区域和树脂区域，如图12 所示。

然而，损伤和裂纹是连续切片过程中最常见的缺陷。

通过使用一些技术克服了这些缺陷：如图5 所示，在切割样品进行连续切片之前，使用旧的环氧树脂预埋样品；使用1200 和4000 粒度金刚石预磨盘进行控制研磨，然后使用1 微米金刚石悬浮液进行控制抛光，最后使用0 . 05 微米金刚石抛光胶体二氧化硅，保持表面光滑。

在某些情况下，为了保证材料去除率的线性，连续抛磨样品定向安装以对角线方式进行抛磨。

通过不同的无损检测和破坏方法，获得了大量通过样品厚度的扫描图像：2400 张X 射线CT 扫描图像、350 张连续切片扫描图像、100 张X 射线分层摄影扫描图像、1 张横向x射线摄影扫描图像、9 张超声波扫描图像、2 张热成像扫描图像（样品两面各一张）以及一张涡流扫描图像。

X射线层摄影，X射线CT和X射线照相是提取复合材料中所有特征和缺陷的体积图像的最有效的成像无损检测技术，因为这些方法显示了由连续切片的真实图像获得的相同特征，因为这些特征直接相关在一起，如图13 （ a、b、c和d）所示。

将X 射线层摄影、X 射线CT 或X 射线照相获得的每幅图像与其它两种X 射线方法和连续切片技术在同一区域获得的相应图像进行比较，以评估每种NDE方法的测量能力。

然而，如图13 （ e）所示，超声波显示表面附近的层中存在一些缺陷迹象。

热成像给出了样品中不连续位置的一般概念，如图13 （ f）所示。

涡流显示纤维取向，如图13 （ g）所示。

本研究通过比较几种成像三维无损检测技术的测量结果与连续切片破坏法获得的真实图像，来评估它们的测量能力。

采用手工铺敷法制备了单向碳纤维复合材料样品。

在聚焦区进行了体积成像无损检测。

对同一聚焦区进行自动连续切片。

本研究得出的结论包括：•热成像提供了不连续区域位置的一般成像概念。

涡流显示复合材料的交织结构如碳纤维取向。

由于后向散射和后向反射阻止了超声波穿透样品内部，超声波在样品表面附近显示出一些不连续性特征。

•射线照相穿透了整个样品厚度，发现了将纤维固定在一起的空隙和缝线；但它没有提供任何关于该特征的深度信息。

•X 射线层摄影提供了大约100 张厚度扫描图像，确定了X 射线照相检测到的所有特征和缺陷的深度。

然而，它的主要缺点是有许多认为因素影响成像质量。

•高分辨率X 射线CT 是检测和量化空洞的最佳方法，因为它能通过样品厚度产生2400 次清晰扫描。

•自动连续切片暴露了复合材料的内部结构，并对复合材料中包含的特征、不连续性和缺陷的类型、形状、尺寸、分布和位置提供了非常清晰的概念。

•对本研究两种方法所得的大量样本厚度扫描图像进行了深入对比。

将其中的每一个无损检测测量获得的图像与同一区域内其他无损检测和自动连续切片技术获得的相应图像进行比较，以评估每个无损检测方法的测量能力。

•X 射线照相、X 射线层摄影和X 射线CT 是产生碳纤维复合材料体积图像的最有效的成像无损检测技术，因为这三种无损检测方法与连续切片破坏技术获得的真实图像直接相关（图13 a、b、c和d）。