碳纤维复合材料超声检测缺陷识别.pdf
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1、 材料工程 2023 年 第 4 期 化纤与纺织技术10碳纤维复合材料超声检测缺陷识别张洪毅1,张 博2,武明远31.河北德臻检测技术服务有限公司,河北 衡水 0530002.国家塔桅产品质量监督检验中心,河北 衡水 0530003.河北中天玻璃钢有限公司,河北 衡水 053000摘要:随着科技的发展,碳纤维复合材料已被广泛应用于航空航天、军工、电子等领域。然而,碳纤维复合物在生产和服役期间会产生各种各样的缺陷,这些缺陷会影响碳纤维复合材料构件,使相应的参数出现问题,如果情况比较严重,就会导致构件报废,从而产生一定的经济损失。对此,文章对碳纤维复合材料中各种缺陷的成因和识别方法进行深入的研究,
2、以供参考。关键词:碳纤维复合材料;超声检测;缺陷识别分类号:TB332;TB553复合材料一般情况下是包括 2 种或者 2 种以上的材料,在生产过程中需要使用复杂的工艺,这种材料具备一定的性质,这些物质的形貌、化学特性和性质各不相同。它不仅克服了单种物质的缺陷,还保持了单种物质的大部分优点,另外,它还具有一些原始物质所没有的新特性定义。该复合材料应符合下列要求:每一种成分的含量都不低于 5%,其性能比每一种成分都要好得多。根据加强材料的不同,复合材料可分为玻璃纤维复合物、有机纤维复合物、碳纤维复合物,正处在研发阶段,并被用于重要部件;陶瓷纤维复合物尚在研究中,还有很多问题需要解决。当前,该材料
3、已被广泛地应用于各个行业,其中包含了交通运输、航天航空行业等。1 碳纤维复合材料无损检测研究现状当前,在对碳纤维复合材料的缺陷进行检测时,可以更好地应用无损检测技术。在这些检测技术中,最为成熟并且使用最为广泛的几种探测技术是射线探测、涡流检测、超声波探测、红外热成像技术等。射线探测是根据 X 射线在介质中传输时能量的衰减程度来判定 X 射线的强度,在复合材料中,以体积形式的缺陷为主,比如孔隙、密度分布不均匀等,都能得到较好的检测效果。然而,该方法对层状缺陷(如脱层等)不够灵敏,且对某些特殊材料的检测缺乏统一的判断标准。涡流检测的原理是通过线圈产生交流磁场来实现的,它与缺陷处感应电流产生的磁场相
4、互作用,使线圈阻抗和感应电压产生变化,从而检测出缺陷,在检测过程中能够实现快速、简单的操作,主要用于碳纤维复合材料构件表面、近表面裂纹、纤维断裂、层裂等缺陷,然而,由于电磁场的趋肤效应,涡流在层厚方向上会快速衰减,且探测深度受激振频率的限制,导致对深层缺陷的探测困难。红外热像技术是利用目标的热辐射特征,对目标完好区与目标缺陷区的红外辐射进行对比,从而实现对目标内部缺陷的检测,在具体应用过程中能够实现较快的检测速度,在操作过程中不需要直接接触,所得到的结果具备直观性,还可以实现大面积检测,能探测复合材料中的脱层、脱黏等缺陷。然而,受限于红外热像仪自身的限制,大深度区域的热像图边界模糊、分辨率不高
5、。超声检测是以不同材料之间声学特性的差异为依据,导致超声波发生反射、能量衰减等现象,其灵敏度、速度等都比较高,并且不会对人体造成伤害。目前,世界上 70%80%的复合材料零件都是通过超声波进行无损检测的。基于超声在复合材料中的传播机理和信号变化规律,能够准确地检测出复合材料中的分层、气孔等缺陷1。此外,对碳纤维布(CFRP)类构件,目前,国际上已制定了一些行业标准,如ASTM E2580-17、HB7825-2007 等。2 超声检测缺陷定性研究超声波信号中蕴含丰富的组织结构信息,是对被检测材料内部缺陷状态进行识别与评价的关键。早在作者简介:张洪毅,男,本科,工程师,研究方向为复合材料检测、橡
6、塑材料检测。文章编号:1672-500X(2023)04-0010-03化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 材料工程111980 年代就提出,不同类型的缺陷与其相应的回波信号有一定的对应关系,利用超声波回波信号中的一些特征,可以实现对各种缺陷的识别。对于碳纤维复合材料超声检测信号来说,结构噪声的存在导致了缺陷的很多信息被掩盖了下去,为了增强可利用的信号,往往需要对其进行截取、变换和分析,对超声信号进行时域、频域等分析。时域分析是一种利用滤波、相关分析等运算来处理信号的方法。时域信号中含有大量的振幅、相位和衰减等信息,对缺陷的识别起着至关重要的作用;频域分析就是利用傅里叶变换把信
7、号从时间域转换到频率域,然后对其进行频率分布和相关性分析。常用的频域分析方法包括幅度谱、相位谱、倒频谱等,通过对其频率组成、频率分布等的分析,能够对材料中所存在的缺陷进行辨识和判定2;时频分析是一种能反映超声信号的局部频谱特性的分析方法,它能把时域信号描述为一种频率-时间关系。时频分析中最常见的方法有短时 Fourier 变换、小波包变换等。在对碳纤维复合材料的缺陷进行定性时,人们对孔隙缺陷进行了最多的研究,并获得了很好的效果,已有的研究多利用能量衰减、递推定量等方法对多孔缺陷进行鉴别。3 碳纤维复合材料常规检测方法3.1 射线检测技术在对被测物质内部情况进行探测时,可以采用射线检测技术。这是
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