【摘 要】
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近年来,科学技术快速发展、新兴技术和产业蜂拥出现、航空航天和动力机械等高新技术领域迅速崛起,人们对纤维复合材料的运用越来越广泛,同时对纤维复合材料的产品质量也越来越重视。纤维复合材料不仅要达到轻质高强等性能方面的要求,同时其服役过程中的性能变化及使用寿命也需要被监测。由于纤维复合材料的加工工艺复杂,且应用场景恶劣,在材料内部极易出现不可见损伤,这些损伤将会使纤维复合材料的性能急剧下降,从而引发重大
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近年来,科学技术快速发展、新兴技术和产业蜂拥出现、航空航天和动力机械等高新技术领域迅速崛起,人们对纤维复合材料的运用越来越广泛,同时对纤维复合材料的产品质量也越来越重视。纤维复合材料不仅要达到轻质高强等性能方面的要求,同时其服役过程中的性能变化及使用寿命也需要被监测。由于纤维复合材料的加工工艺复杂,且应用场景恶劣,在材料内部极易出现不可见损伤,这些损伤将会使纤维复合材料的性能急剧下降,从而引发重大的安全事故和经济损失。传统的检测手段常常需要对材料本身进行切片等破坏处理,这将导致检测完成后合格的材料也无法继续使用,大大增加了成本。因而,既不需要破坏材料,又能够检测出材料的内部是否存在缺陷的无损检测技术已经成为高效便捷的检测手段。而超声波C扫描成像检测作为一种无损检测的方法,具有适用范围广、灵敏度较高、穿透能力很强而且对人身健康与环境没有危害等优势,可为纤维复合材料的无损检测提供一种新的研究思路和方法。本文研究基于超声波C扫描成像检测技术,探索了超声波检测的基础理论,并将该技术应用于纤维增强复合材料无损检测方向。本文首先阐述了超声波检测的理论基础,给出了超声波发射接收的理论推导,了解了超声波如何实现缺陷检测,同时对超声波检测方法、缺陷显示方法及超声波成像检测系统关键部件进行了说明,为后续研究提供理论保障;其次,以碳纤维孔洞和冲击试样为研究对象,采用Ultrapac超声水浸扫查系统,对两种试样进行超声波C扫描检测,探究了试样内部缺陷的分布情况和尺寸大小,对缺陷尺寸大小进行定量聚类处理,然后利用缺陷特征,分析了孔洞试样缺陷检测面积和实际面积之间的关系,利用目视法分析冲击试样冲击过程造成的缺陷形态,与C扫描图像进行对比分析,并结合扫描的波形图像和切片图像,对试样不同部位的缺陷状况进行分析说明;最后将碳纤维孔洞和冲击试样进行切割处理,通过扫描电镜结果,分析缺陷的实际情况,与超声波C扫描检测结果进行对比验证,不仅证明了超声波C扫描成像检测技术在纤维复合材料无损检测应用上存在的优势,而且为C扫描在纤维复合材料中的应用提供指导性意义。本文得出的主要结论如下:（1）碳纤维复合材料孔洞缺陷的C扫检测面积与实际面积存在明确的关系。超声波C扫描成像检测技术能够准确检测出直径为2 mm-12 mm的碳纤维复合材料的孔洞缺陷,不同孔径的孔洞缺陷呈现出的图像效果不同,且在该直径范围内,孔洞缺陷的检测面积与实际面积存在函数关系,其关系式为:y（28）5.77x~2（10）0.096x-0.69,该方程的相关系数为R~2（28）0.998。这是由于波束宽度的存在,随着孔洞直径的增大,波束透过率变大,能量损耗减小,缺陷的检测面积与实际面积的倍数也减小。（2）超声波C扫图像能够证明冲击对试样造成损伤主要呈经向分布。利用U ltrapac超声水浸扫查系统对冲击试样进行扫查,根据扫描图像分析试样的缺陷情况,检测结果显示超声波C扫描成像检测技术可以准确检测到试样的内部损伤,观察分析试样实际情况与扫描情况可知,冲击试样存在纤维断裂、纤维层间分层的缺陷,且根据扫描图像可以验证冲击对试样的损伤主要是呈现经向分布的。（3）研究形成了断层切片显示技术。采用断层切片显示技术,分析不同厚度上试样的损伤状况,根据超声波C扫描切片检测结果,可以发现10 J的冲击破坏能对该试样造成的缺陷接近于冲击背面;该碳纤试样在经历20 J、30 J、50 J冲击破坏能破坏后,每一层切片结果图上都存在缺陷,其中20 J中的第四层和第五层切片纤维间层间分层最为严重,在30 J冲击破坏能作用下,试样先受横向冲击破坏,而后沿板厚度方向受纵向破坏,而在50 J冲击下,试样纵向受到的冲击力大于横向的冲击力,冲击点处引起的纤维断裂从第一层切片贯穿至第八层切片,该冲击破坏能造成比较严重的纤维断裂缺陷。（4）碳纤维复合材料冲击试样的冲击破坏能与试样损伤面积存在线性关系。利用缺陷聚类统计结果,对冲击破坏能与试样损伤面积进行线性回归分析,发现两者呈线性关系,其关系式为:y（28）33.89x-28.9,相关系数为R~2（28）0.944。冲击破坏能越大,其造成的试样损伤面积也越大,两者成正比关系。（5）超声波C扫描成像检测技术能够检测分层缺陷。结合CFRP孔洞截面的扫描电镜图和冲击试样的数码显微镜结果图,进一步验证了孔洞试样和冲击试样内部的确存在分层缺陷,更有力的证明了超声波C扫描成像检测技术能够在不破坏试样的基础上,对分层缺陷检测的可行性与有效性。
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