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 Radiography

X 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