复合材料检测技术

140
8.6 5.0 0.35 1400 50
135
8.8 4.5 0.33 1239 38.7
纵向压缩强度Xc（MPa）
横向压缩强度Yc（MPa） 面内剪切强度S（MPa）
1100
180 99
1281
189 81.2
高比强度和比刚度
典型连续纤维增强复合材料力学性能
材料
S玻璃/环氧 高强碳/环氧
密度 （g/cm3）
X射 线 机 被检件 X光 底 片
X射线照相法
蜂窝芯进水检测
X射线照相法
蜂窝开裂检测
声振检测（Acousto-Vibration）
原理：由敲击法发展而来，利用换能器激发被检 件，测量被检件的声阻抗，声速，谐振频率，振 幅，相位的改变。 功能：检测胶接质量，脱胶，分层，是超声脉冲 回波法检测的补充 典型仪器：
检测方法的选择
不同缺陷检测方法的选择
缺陷类型 脱粘 分层 纤维取向 夹杂 蜂窝芯压塌 富胶和贫胶区 检测方法 听声、超声 听声、超声 软X射线 软X射线、超声 软X射线、超声穿透法 软X射线、超声
疏松和裂纹（内部）
疏松和裂纹（外部）
软X射线、超声
渗透
检测方法的选择
不同类型结构检测方法的选择
结构 形状 检测方法 穿透法超声C －扫描 回波法超声C －扫描 穿透接触法 回波接触法 射线照相 脉冲回波数字测厚

S－9 Sondicator 声振检测 美国Staveley NDT Technologies 公司 Sonic BondMaster 综合声振检测仪
声发射检测（Acoustic Emission）
原理： 利用复合材料在受载时局部出现损伤时发出 的声波，通过记录和波形分析确定损伤起始 与类型 5 特点： 1 5 可以采用多探头对 8 10 损伤源定位 6 4

特点：
主要检测气孔疏松和分层
超声检测成像系统主要性能指标
超声检测
超声C扫描检测分层（172厂C扫描仪）
超声检测
超声波C扫描检测冲击损伤（西工大美国PAC公司C扫描仪）
X射线照相法（X-ray photography）


原理：利用材料密度不同吸收X射线不同，得到X射线照 片上的灰度不同 软X射线（铍窗口），低电压（10－17kV），小焦点 检测气孔，夹杂，纤维取向，胶接质量

HB 7402－96 碳纤维复合材料层压板I型层间断 裂韧性GIc试验方法
II型层间断裂韧性试验

HB 7403－96 碳纤维复合材料层压板II型层间断裂 韧性GII c试验方法
复合材料的无损检测技术
缺陷与损伤的类型
缺陷：（制造原因） 气孔（孔隙率） （<2%）孔隙率每增 加1％，剪切强度下 降5－10％ 疏松 分层 脱粘（胶接件） 夹杂 富酯与贫酯 纤维弯曲或偏离
标准敲击锤：4次/秒
敲击检测
电子敲击器— 便携式敲击检测仪（冲击器，传感器，显示器）
日本WP-632 敲击胶接监测仪
超声检测

原理： 频率：1－10Mhz 工作方式： 脉冲回波法 穿透法
超声检测
显示方式
A型：显示被检测件上特定点的振幅与反射时 间（脉冲回波法） B型：显示被检测件截面视图发现缺陷 C型：显示缺陷平面图
典型陶瓷基复合材 料的制备（2讲）
第1讲绪论、第2讲陶瓷基复合材料的研究进展及特点、第 8讲复合材料力学及检测技术，共15讲，最后考试。
各向异性
典型国产树脂基复合材料单向板的力学性能
HT3/5224（高强 碳纤维/环氧） HT3/QY8911（高强 碳纤维/双马）
纵向拉伸模量E1（GPa）
横向拉伸模量E2（GPa） 面内剪切模量G12（GPa） 主泊松比V12 纵向拉伸强度Xt（MPa） 横向拉伸强度Yt（MPa）
7 3 6 10 1-载 荷 传 感 器 4-声 发 射 传 感 器 7-声 发 射 监 测 系 统 10-载 荷 头 2-位 移 传 感 器 5-直 流 放 大 器 8-打 印 机 3-试 件 6-前 置 放 大 器 9-示 波 器 9
声－超声检测（Acousto-Ultrasonic）
原理：
可控制的重复 频 率 （ R表 示 重复频率）

损伤：（加工使用中） 分层 冲击损伤 纤维断裂
常用检测方法和原理
敲击 超声检测 X射线照相 声振检测 声发射检测 声－超声检测
敲击检测
原理：复合材料受敲击振动后，有缺陷、 无缺陷发出的声响不同，判断缺陷性质、 大小、位置 特点：
简单 分辨率低（1mm厚板，>Φ25） 经验性
敲击检测
测试：纵向压缩模量E1、主泊松比ν1 、纵向压缩强度Xc ；横向压缩模 量E2、横向压缩强度Yc
压缩力学性能试验（ASTM D 3410及GB/T3856—83标准 ）
压缩力学性能试验（HB 5485—91标准 ）
压缩力学性能试验（GB/T 5258—1995标准 ）
压缩力学性能试验（GB/T 5258—1995标准 ）
1.61
2.49 2.1 2.7 7.83
1548
1343 300 647 1750
135
217 100 72 207
961
539 142 239 223
83.9
87.1 47.6 26.4 26.7
层合板静态力学性能表征与测试
纵向拉伸力学性能
横向拉伸力学性能 纵向压缩力学性能 横向压缩力学性能 纵横剪切力学性能 短梁层间剪切强度 弯曲性能
弯曲性能试验
GB/T 3356-1999 单向纤维增强塑料弯曲性能试验方法
测试：弯曲强度f和弯曲模量Ef
层合板韧性性能试验
开孔拉伸强度试验 开孔压缩强度试验 冲击后压缩强度试验 I型层间断裂韧性试验 II型层间断裂韧性试验 边缘分层层间断裂韧性试验
开孔拉伸和压缩强度试验
开孔拉伸和压缩强度试验
无特殊要求 层压板结构 成形结构（正弦式或 凹面形状）
蜂窝组件
胶结连接
平面形
平面形 平面形 成形件
穿透法超声C －扫描 射线照相
穿透法超声C－扫描 射线照相 声振法
复合材料不 同缺陷检测 方法的比较
了解: 复合材料的性能测试方法及无损检测 预习 第5章 CMC的界面及增韧机理 5.1 界面与表面 5.2 强韧化
面内剪切力学性能试验（纵横剪切试验）
GB/T 3355—1982 纤维增强塑料纵横剪切试验方法
测试：面内剪切模量G12、面内剪切强度S
G 12
12 / 2 P 12 x y 2bh ( x y )
i b
短梁层间剪切强度试验
标准：GB/T 3357－1982 单向纤维增强塑料层间剪 切强度试验方法 测试层间剪切强度τi
开孔拉伸强度试验
HB 6740－93 碳纤维复合材料层压板开孔拉伸试验方法
开孔拉伸和压缩强度试验
开孔压缩强度试验
HB 6741－93 碳纤维复合材料层压板开孔压缩试验方法
冲击后压缩强度

冲击损伤
冲击后压缩强度

冲击后压缩强度降曲线（T300/5208）
冲击后压缩强度

冲击装置
冲击后压缩强度
复合材料的力学性能与 检测技术
蔡浩鹏 武汉理工大学高分子复合材料系

教学内容
第2章 （2讲）
第6章 （2讲）
检测加工及评价
第3章 （1讲） CMC用 增强材料
CMC用 基体材料
非金属基复合 材料
CMC的 制备技术
CMC的界面和增 韧机理
其它非金属基复合 材料
第4章 （2讲）
第5章 （2讲）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第7章 （1讲）
拉伸力学性能试验
GB/T 3354－1999 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法
测试：纵向拉伸模量E1、主泊松比ν1 、纵向拉伸强度Xt ；横向拉伸模量E2、
横向拉伸强度Yt
压缩力学性能试验
GB/T 3856－1983 单向纤维增强塑料平板 压缩性能试验方法； HB 5485－91 碳纤维增强树脂基复合材料薄板 压缩性能试验方法； GB/T 5258－1995 纤维增强塑料薄层板 压缩性能试验方法。

冲击后压缩强度
HB 6739－93 碳纤维复合材料层压板冲击后压缩试验方法 BSS 7260 先进复合材料压缩试验方法
层间断裂韧性试验

层压板结构的层间应力集中问题
层间裂纹问题（层间断裂力学）

层间断裂韧性是表征复合材料层合板抵抗层间裂 纹扩展的能力，一般有能量释放率G来表示。
I型层间断裂韧性试验
拉伸强度 （MPa）
拉伸模量 （GPa）
比强度 （MPa/g/cm3）
比模量 （GPa/g/cm3）
2.0 1.57
1790 1520
55 138
895 968
27.5 87.9
高模碳/环氧
Kevlar49/环氧
1.60
1.38
1210
1520
221
86
756
1101
138
62.3
高强碳/双马
硼纤维/Al SiC /SiC 高强铝合金 高强钢
复位计数器 （ T表 示 时 间 ）
累加器 （ C表 示 振 荡 计数）
SWF C T R
脉冲 发生器
超声 发射器
放大和 增益控制
计数器 阈值
声发射 接收器
耦合剂
脉冲激励
应力波
应用：胶接结构与复合材料的缺陷和强度检测
检测方法的选择



任何一种检测方法都不可能检测所有缺陷和损伤 对复合材料层压板与蜂窝夹层结构一般都要通过2 种或2种以上检测 超声和X射线照相是复合材料层压板缺陷检测的 主要方法，超声检测100％使用 声振法是胶接件，蜂窝夹层结构的首选检测方法