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学号：摘要: 简单介绍了复合材料中孔隙的形成原因, 叙述了孔隙率对材料机械性能的影响, 综述了孔隙率测量的超声无损检测方法现状, 说明了目前各种检测方法的检测效果和优缺点, 并对将来孔隙率的检测方法作了展望。

关键词: 孔隙率; 复合材料; 超声检测孔隙是复合材料最常见的微小缺陷。孔隙的出现会降低材料的性能, 如层间剪切强度, 纵向和横向的弯曲强度和拉伸强度、抗疲劳性以及高温下的抗氧化性能等。即使孔隙含量很小, 也会对材料的寿命造成很大的影响[1- 4], 因此孔隙率的检测对复合材料的性能保证非常重要。目前比较常用的无损检测方法是超声波检测, 国内外已对此种检测方法做了不少的研究, 并取得了一定的进展。

1 孔隙的形成及对材料的影响

由于复合材料比较复杂的加工工艺, 完全没有孔隙的复合材料是没有的。一般来说, 空隙的形成有两种原因[5]: 一是制作过程中树脂未完全浸润或叠层间空气未完全排除, 造成空气存留在其中, 这种原因形成的孔隙一般数量较多, 形状是扁圆形或拉长形; 二是由于工艺过程中产生挥发性物质, 这时形成的孔隙一般呈圆形, 孔隙数量较少, 孔隙的尺寸一般较小, 直径为几微米到几百微米。评定孔隙对材料影响程度大小的定量指标是孔隙率, 有面积孔隙率和体积孔隙率两种定义。面积孔隙率是单位面积所含孔隙的面积的百分比, 体积孔隙率是单位体积所含孔隙的体积百分比。具体根据实际检测技术的不同采取不同的指标描述。

复合材料的机械性能对孔隙十分敏感。ALmei2da[6]等人用实验证明, 即使孔隙的存在对材料的静态强度只有中等程度的影响, 它却可以使疲劳寿命显著下降。研究指出, 孔隙率在0% ~ 5% , 每增加1%, 其层间剪切强度平均下降7% 左右, 其他性能如弯曲强度以10% 左右的比例下降, 弯曲模量则以5% 左右的比例下降。不过孔隙的存在并不是对材料都具有有害的影响。对大多数材料来说, 2%是一个可以接受的上限。因此大多数研究集中在检测范围在1% ~ 5% 的孔隙率缺陷。

2 孔隙率超声检测方法

孔隙在材料中的分布、形状和大小很复杂, 这就使得对孔隙率的检测十分困难。通常, 复合材料孔隙率的无损检测方法分两大类: 超声检测法和射线检测法。由于超声波具有穿透能力强, 方向性好, 灵敏度高, 且对人体无害等优点, 超声检测法是目前用于复合材料最通用的无损检测技术。当复合材料中含有孔隙缺陷时, 超声波的衰减会很厉害, 影响超声波的传播速度,因此孔隙率与超声波衰减量和速度存在一定的相关性。大多数超声检测方法都是通过建立超声特征参数的变化与孔隙含量之间的关系来对复合材料孔隙含量进行评估。另外, 背散射和超声波导波也是目前复合材料孔隙率的新型检测方法。

2. 1 传统超声波测量

2、1、1 超声波速度变化测量法

D E W St one 和Clarke[7]等人所做的实验中, 假设超声波入射前的速度是2980m/ s, 试样厚度为2mm的碳纤维复合材料板, 当试样无孔隙时的超声波穿透时间为1. 342Ls; 当试样孔隙率为1% 时, 超声波穿透时间为 1. 359Ls; 由于孔隙率的不同而引起的超声波穿透时间变化为17ns, 大多数的测试仪器很难达到这种检测精度, 另外, 超声波的传播速度还受测试条件、环境的影响, 所以, 通过超声波速度的变化检测孔隙率的方法较少采用。目前, 普通的孔隙率检测方法是通过检测超声衰减量来判定复合材料的孔隙率。

2.1 .1. 2 超声波衰减量测量法

把由相同孔隙率的变化引起的衰减变化和速度变化相比较, 超声波的衰减量的测量相对比较容易, 采用超声波衰减反映复合材料内部的孔隙率也更为灵敏。下面几种方法主要从超声波的衰减与复合材料内部孔隙率的关系方面进行了研究。

( 1) 时域分析法人们在进行实验研究的同时, 也试图建立超声波在材料中传播的模型, 进而找出超声波的衰减量或传播速度的变化与孔隙率大小之间的关系, 首先在时域中对孔隙率检测的超声波信号进行了分析。

D E W St one 和Clarke[ 7]等人建立了超声波的衰减与孔隙率的关系, 他们认为超声波的衰减包括前表面的损失、后表面的损失和在复合材料内部的损失。由于在不同的孔隙率时孔隙的形状有所不同, 他们的模型以孔隙率 1. 5% 为界呈两个线性关系, 如式 1 和式 2 所示。

A= a1( f ) Vv+ b1( f ) VvVv< 1. 5% ( 1)

A= a2( f ) Vv+ b2( f ) VvVv> 1. 5% ( 2)

这里, A是材料的超声衰减系数, a1, a2, b1, b2 是频率的函数, 对于给定的频率, 它们是常数。Vv是孔隙率。实验结果说明, 双线性关系可以对实验数据进行更好的拟合。

此外, Martin[8]也建立了一种模型。该模型认为孔隙形状为球形, 所有孔隙的半径都是相同的, 且衰减率与半径的四次方成正比。该种模型误差较大, 只在孔隙率小于1. 5% 时近似成立。

理式法虽然可以直接应用公式来建立超声波衰减与孔隙率的关系, 但由于含有某种假定, 公式中的常数并非实验得来, 而是直接计算出来的, 因此, 当材料的特征未知或实验情况有变化时, 这种方法计算出的结果误差较大。

( 2) 频域分析法

除了在时域内进行分析以外, H. Jeong[ 9]、K.H su[10, 11]和M. S. Hughes[12]等人在频域内对孔隙率引起的超声参数的变化进行了分析。他们通过分析超声波的衰减和频率的一阶导数得到了超声波的衰减与孔隙率的关系, 如式3。

dA/df= k( s) Vv (3)

这里, 参数k 是孔隙形状s 的函数, A是材料的超声衰减系数, Vv是孔隙率。

在频域分析法中, 把超声波的衰减看作整个频带上对频率的函数, 根据衰减率对频率的导数确定材料中的孔隙率。由于材料中孔隙分布的不均匀性, 为得出衰减率对频率的导数, 往往在多个位置进行测量, 然后计算平均值。从实验结果来看, 衰减率对频率的导数与孔隙率之间有良好的线性关系, 而且随着孔隙率的增加, 中心频率也会单调下降, 中心频率的下降与孔隙率也存在线性关系。对于不同的材料, 乘以不同的常数(由材料中孔隙的分布和材料决定)确定相应的线性系数。另外, 他们还将速度的改变与孔隙率联系起来。应用他们建立的这种模型时首先用同种材料对公式中的常数进行标定, 然后用公式来确定被测材料的孔隙率。由于模型能够由实验来标定, 这种方法有较强的实用性。

( 3) 法宇航的检测方法[13]

此方法的基本原理是: 首先测量超声波在水中的衰减以及该材料的一些相关参数, 然后利用这些测得数据确定复合材料的面积孔隙率。他们认为超声波的衰减主要由以下几个方面的原因引起: 不同介质界面间的反射、材料本身对超声波的吸收以及其他类型的缺陷对超声波的吸收; 由孔隙引起的超声衰减与孔隙面积有关而与孔隙体积无关。只要事先测得该种材料表面处的衰减, 及在无孔隙时复合材料一层引起的衰减, 并且知道该材料的层数, 在测出材料对超声波的总衰减后可以计算出其面积孔隙率。

该方法要求用不含孔隙的材料对每层材料的超声衰减系数进行测定, 但不含孔隙的材料本身难以制造,因此这种方法不易实现。

( 4) 待定系数法

待定系数法是将超声波的衰减看作是四个方面的综合效果: 树脂对超声波的衰减As,碳纤维对超声波的衰减Af, 孔隙对超声波的衰减Av和其他方面引起的衰减Ao。且假定这四项衰减各自, 互不相干, 有At= As+ Af+ Av+ Ao通过建立以上四项衰减的模型, 并考虑了不同大小孔隙率对衰减的影响, 同时引入了/ 等效分布孔隙率0, 将其他缺陷引起的衰减折算成孔隙率引起的衰减。

浙江大学的宋立军[13]和周晓军[14]等采用了时域中的待定系数法对碳纤维复合材料的孔隙率检测进行了实验研究。他们首先用超声波检测系统测出复合材料板各处的超声衰减系数, 然后利用破坏性实验得出相应位置的孔隙率。根据已得到的数据可以求出上述公式中的系数, 然后以此公式来对同一批复合材料进行孔隙率的检测, 检测结果比较不错。

2.1. 1.3 极角背反射法( P olar Backscat ter)

在医学领域中的超声研究表明, 超声背反射信号比超声传播速度和宽带超声衰减能更好地表示骨质情况[ 15]。同样的研究也用在了复合材料的孔隙率检测中。科学家们做了很多工作研究背反射与孔隙率的关系, 验证说明超声波背反射对纤维增强复合材料中的孔隙率比较敏感。

J. Qu 和J. D. Achenbach[16]对多重纤维增强材料中的孔隙率与背反射的关系进行了研究。在一定的理论模型基础上, 研究说明, 孔隙率越高, 背反射越高。在复合材料方位角为450的倍数时, 信号的背反射幅度对数值有很陡的变化。如图 1 所示。

R. A. Robert s[ 17]等人在前人研究的基础上, 又把极角背反射检测孔隙率的方法推广到多方向纤维增强叠层复合材料的孔隙率检测中。通过各方位角的背反射扫描得出结论在较大极角和较低频率的条件下,孔隙率的分辨率情况最好。R. A. Rober ts 使用的背反射试验装置如图2 所示。超声背反射方法一般把探头固定在某一极角上,让浸在水中的复合材料试样沿着一定的方位角旋转,通过单探头或双探头接收信号。改变方位角从而获得试样全部方向的背反射信号。

2. 2 导波测量法

对于复杂的构件, 由于结构表面形状的复杂性, 以上讲述的传统超声波测量方法不再有效。而导波由于衰减量低, 与厚度无关, 可以用来处理复杂外形构件的孔隙率检测问题。对于表面曲率突变或不平整的工件, 其典型的加工过程是使用数控机床把预料坯切成薄片, 然后以特定的顺序叠在一起, 在高压锅里冷却时, 在可控的温度压力周期下使用真空包排出里面可能的空气和挥发气体。加工过程中温度压力周期的变化导致复合材料中孔隙的出现, 特别是在次表面区域, 孔隙率比较高。所以, 采用导波里的一种, 即表面波可对次表面的孔隙率进行测量。

文献[18]详细介绍了采用表面波测量复杂结构孔隙率的方法。对孔隙模型进行分析建立后, 对复杂构件的表面波边界条件也作了详细的讨论, 并通过实验数据验证得到了重要的结论, 那就是在石墨环氧织物的互相垂直的方向上, 表面波的速度和频散在没有孔隙的结构中和在有孔隙的结构中有明显的不同。相对于没有孔隙的结构, 在有孔隙的结构中传播的表面波速度和频散要大一些。此外, 这里所用的表面波探头也与常规的表面波探头有所不同。针对复杂的构件,设计了一种特殊的线源斜楔换能器( Line SourceWedge T ransducer) , 通过一种中间块( Mediat or) 的作用, 换能器可与结构表面很好地耦合, 并在复合材料中产生表面波。其结构参见图3。

3 结论

总的来说, 上述几种复合材料孔隙率检测方法各有优势, 同时由于孔隙模型和材料的假设条件, 每种方法都有各自的适用范围。不过, 到目前为止, 还没有一种方法可以对纤维增强复合材料的孔隙率进行在线检测。基于超声波衰减量和背散射测量的检测方法很有发展前景, 但两点必须仔细考虑: 第一, 孔隙率测量需详细研究气孔的结构, 建立比较合适的数学模型; 第二, 理想的检测方法应该于树脂基体结构和纤维层结构。另外, 随着计算机技术和信号处理技术的发展, 超声导波技术由于具有比较高的检测效率, 正越来越受到无损检测界的关注, 用导波来检测孔隙率, 潜力很大。此外, 也可以将上述的几种检测方法结合起来进行研究, 相信这样会有所突破。

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