复合材料层板铺层方式对超声检测结果的影响.pdf

　５Ｏ　　　材料工程／２０１３年２期　复合材料层板铺层方式对超声　　检测结果的影响　　　　　—　　　　ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＬａｙｉｎｇｕｐｉｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　ＬａｍｉｎａｔｅｓｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　　　　　王铮，何方成，梁菁，康丽红　　　　　　　（北京航空材料研究院，北京１０００９５）　　　—　　　—　ＷＡＮＧＺｈｅｎｇ，ＨＥＦａｎｇｃｈｅｎｇ，ＬＩＡＮＧＪｉｎｇ，ＫＡＮＧＬｉｈｏｎｇ　　　　　　（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　摘要：对Ｔ７００／６４２１炭纤维复合材料在ＲＴＭ工艺下制作的不同铺层方式的试样，进行两种频率的脉冲反射法超声检测　　　　　　　　　　　　　　　　实验，研究纤维铺层方式对超声检测结果的影响，并得到以下结论：纤维铺层方式对声波在材料中传播的声速和衰减有一　　　　　　　　　定影响，在进行缺陷深度定位和材质衰减测量时，应予以修正；纤维铺层方式对复合材料上下表面检测分辨率、层间分　　　　　　层缺陷的可检性和缺陷大小的评定没有明显影响。　　　　　　关键词：复合材料；铺层方式；超声检测；缺陷评定　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１＿４３８１．２０１３．０２．０１０　　中图分类号：ＴＢ５５３　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００１４３８１（２０１３）０２００５００５　　　　　　　　　　　　　　—　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｍｐｌｅｓｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙａｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙＲＴＭａｎｄＴ７００／６４２１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｙｓ　　　　　　　　　　　　　—　　　ｔｅｒｎ．Ｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｉｎｓｐｅｃｔｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｙｉｎｇｕｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｎ　　　　　　　　　　　　　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎ：ｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｌａｙｅｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｕｎｄｗａｖｅｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．Ｓｏｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅａｄｄｅｄｗｈｅｎｄｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｆｅｃｔｄｅｐｔｈａｎｄｍａｔｅｒｉａｌａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆ１ａｙｅｒｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ’　　　　　　　　　　　　　　　—　ｄｏｅｓｎｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｏｌｖｉｎｇｐｏｗｅｒ，ｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｆｉｎｄｉｎｇｔｈｅｄｅｆｅｃｔａｎｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｅｓｔｉｍａ　　　ｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｉｚｅ．　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｌａｙｅｒｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ；ｅｓｔｉｍａｔｅｄｅｆｅｃｔ　　　　复合材料层板中纤维铺层方式对复合材料的强　　　　　　　　　　　　度、刚度和疲劳行为等力学性能影响较大，采用不同的　　　铺层方式可以得到不同性能的复合材料ｕ］。超声无　损检测是使用超声波方法在不损坏制件的情况下对其　　　　　　　　　　　　　　　　内部质量进行评估。在复合材料的超声检测中，带有　　　人工缺陷的对比样件必不可少，其作用一方面是用来　　　　　　　　　　　　验证检测系统的检测灵敏度，另一方面，是通过被检件　　的检测情况与已知内部质量对比样件的检测情况的对　　　　　比分析，来判断被检件中是否存在影响使用的缺陷。　　　因此，对比样件在超声检测过程中及检测结果的评定　中均扮演了重要角色。有研究表明［５－－１０］，制件中纤维　　　　的铺设方向不同时，材料将具有各向异性现象，对其进　　　　　　　　　　　　　　　行超声检测时，声波会在纤维铺设方向不同的界面间　　产生一定程度的反射，从而造成声波的衰减。另外，不　　　同纤维铺设方向的铺层中树脂含量可能不同，导致铺”　层的密度和声速发生变化口卜］，从而造成声波在不同　　方向铺层问声阻抗的差异。当对比试样与被检件的铺　　　层方式不同时，材料超声检测特性的变化可能会对检　　测能力和检测结果产生影响。而如果对每种铺层方式　　　的层板分别制作对比样件，则检测用对比样件的数量　　　　将会成倍增加，给对比样件的制作和制件的检测都带　　　　　　　　　　　来很大不便，检测成本也随之增高。因此，研究复合材　　料层板的铺层方式对超声检测结果的影响，进而指导　　　　不同铺层方式复合材料层板检测用对比样件的制作，　　意义十分显著。　本工作将对相同工艺、相同材料体系下，不同铺层　　方式的复合材料层板开展超声检测实验研究，分析铺层　　方式对超声检测灵敏度、表面分辨率和缺陷可检性等方　面的影响，研究结果将对不同铺层方式的复合材料层板　　超声检测用对比试样的制作方法具有指导作用。　　１实验材料与方法　　　　选用Ｔ７００／６４２１材料，经ＲＴＭ工艺制作不同铺层　５４　　　材料工程／２０１３年２期　　　　　　之间，１和２试样中缺陷埋深差别较小，最大差值为　　　　０．２３６ｍｍ，２０层以后，二者埋深差别变大，最大差值达　　　　　　　　　　　到０．４７２ｍｍ。这是因为，相同铺层间缺陷深度测量差　　值可由式（４）计算得到：△—　ｈｃ×　　　　＿×　　ｈ　（４）　Ｃ１　Ｃ２　　　式中：Ａｈ为示波器上显示的信号埋深差值；ｃ为声波　　　　　　　　在１试样中传播的声速；ｃ为声波在２试样中传播　　　的声速。　　　　式（４）中，ｃ，ｃ，ｃ均为常数，则示波器上显示的信　　　　号埋深差值Ａｈ随声波传播的实际声程ｈ的增加而增　　　加。另外，仪器读数误差、材料声速的不均匀性等都会　　引起实验数据的测量误差，造成两试样中对应缺陷深　　度的测量数据存在一定波动性。　　　　　　　　　　　　通过上述分析可见，铺层方式不同，声波在材料中　　传播的声速存在一定差异，检测时，如使用的对比试样　　　与被检件铺层方式不同，在进行缺陷埋深评定时，应注　　　　　意声速引起的误差。　　　　３结论　　（１）层板铺层方式影响材料衰减，表现为铺层层数　　　　　相同、铺层方式不同层板的底面回波幅度不同，检测　　时，尤其是采用底波衰减方法测量孔隙率含量时，如使　　　用的对比试块铺层方式与被检件不同，应注意对底波　衰减进行补偿。　　　　　（２）铺层方式相同，铺层数目不同的层板，底面回　　波衰减随铺层数增加而增加，检测时，使用的对比试块　　　与被检件铺层方式相同、铺层层数不同时，应进行衰减　　补偿。　（３）铺层方式对超声检测上下表面分辨率没有明　显影响，检测表面分辨率主要受仪器与探头的匹配性　　　　　能和探头频率影响较大。　　　　　　　　　　　　　　（４）铺层方式对缺陷的可检性及大小评定结果没　　　　有明显影响。　　（５）铺层方式影响声波在材料中的传播速率，检测　　　　时，如使用的对比试样与被检件铺层方式不同，在进行　缺陷埋深评定时，应注意声速引起的误差。　［１］　［２］　［３］　［４］　参考文献　　　　　　　　　　　高思阳，张晶，付强，等．纤维复合材料刚度设计的力学原理及其　　应用［Ｊ］．航空学报，２００９，３０（７）：１２２８～１２３５．　　　　　　　范学领，孙秦，原梅妮，等．裂纹间距及铺层角度对复合材料分层　　—　的影响［Ｊ］．固体火箭技术，２００９，３２（３）：８２７３３０．　　　　　曹茂盛，周伟，雷义龙，等．压缩载荷下碳／环氧复合材料的动力学—　相应行为［Ｊ］．材料工程，２００８，（４）：１５１８．　　　　　　　　　赵丽滨，秦田亮，黄海，等．某复合材料接头的强度估算［Ｊ］．材　　—　料工程，２００７，（增刊）：９０９３．　　　　　　　　　　［５］李敏，张佐光，李艳霞，等．复合材料层板热压工艺参数的分析与　—　优化口］．材料工程，２００７，（增刊）：１０６１１０．　　　　［６］ＤＡＶＩＤＫ，费冬，刘战捷．超声成像法检测复合材料层合板铺层方　—　向口］．无损检测，２００４，２６（１）：７１２．　　　　　　［７］ＶＩＫＲＡＭＫ，ＫＩＮＲＡＳ，ＫＯＮＳＴＡＮＴＩＮＭ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｌｙ－ｈｙ＿　　　　　　　　ｐｌｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍａｔｒｉｘｃｒａｃｋｓｉｎｌａｍｉｎａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　　—　　０ｆＮ０ｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，２００９，２５（１）：３９５１．　　　　　—　［８］ＶＬＡＤＩＳＡＵＳＫＡＳＡ，ＢＵＴＫＵＳＪ，ＪＡＫＥＶＩＣＩＵＳＬ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａ　　　　　　　　　　ｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂｙｔｈｅｕｓｅｏｆａｎｇｕｌａｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　—　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ［Ｊ］．ＵｌｔｒａｇａｒｓａｓＪｏｕｒｎａｌ，２００６，４（６１）：４５４９．　　　　　　—　［９３ＯＮＵＲＹ，ＫＡＹＮＡＫＣ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ（Ｃ－ｓｃａｎ）ａｎｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｅ　　　　　　　—　ｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｉｎｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｌｄｅｄｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｌ　—　　ｙｍｅｒＴｅｓｔｉｎｇ，２００５，２４（１）：１１４１２０．　　　　　　［１０］ＩＭＩＥＬＩＮＳＫＡＡＫ，ＣＡＳＴＡＩＮＧＳＣＭ，ＷＯＪＴＹＲＡＢＲ，ｅｔａ１．—　　　　　　　——　Ａｉｒ－ｃｏｕｐｌｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＣ－ｓｃａｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｉｍｐａｃｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｅｓ　　　　　　　　ｔｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒａｎｄｈｙｂｒｉｄ：ｇｌａｓｓ，ｃａｒｂｏｎａｎｄＫｅｖｌａｒ／ｅｐｏｘｙ　　　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．—　—　　２００４，１５７１５８：５１３５２２．　　　　　　　　［Ｉ１］ＭＹＬＡＶＡＲＡＰｕＰ，ＷＯＬＤＥＳＥＮＢＥＴＥ．Ａｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｍｏｄｅｌ　　　　　　　ｆｏｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　—　［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＢ，２０１０，４１（１）：４２４７．　　　　　　　　　　［１２］ＶＩＣＴＯＲＩＡＡ，ＪＯＨＮＢＲ，ＤＡＶＩＤＡ，ｅｔａ１．Ａｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅ　　　　　　　　—　ｄａｍａｇｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎｆｒｏｍｎｏｔｃｈｅｓｉｎａｎｏｘｉｄｅ／ｏｘｉｄｅｃｅｒａｍｉｃ－ｍａ－　　　　—　　ｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＣｓｃａｎｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅ　—　　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，６１（１１）：１５６１１５７０．　　　　　　—　［１３］ＯＲＡＺＩＯＡＴ，ＬＥＯＡＭ，ＤＩＳＴＡＮＴＥＡＡ，ｅｔａ１．Ａｕｔｏｍａｔｉｃｕｌ　　　　　　　　—　ｔｒａｓｏｎｉｃｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｆｏｒｉｎｔｅｒｎａｌｄｅｆｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａ　—　ｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＮＤＴ￣ＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００８，４１（２）：１４５１５４．　　　　　—　［１４］ＤＥＣＬＥＲＣＱＡＦ，ＴＥＫＬＵＡＡ，ＢＲＥＡＺＥＡＬＥＡＭ，ｅｔａ１．Ｄｅｔｅｃ　　　　　　　　　　　ｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｍｅａｎｓｏｆａｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—　　　　　—　ｗｉｄｅｂｏｕｎｄｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｂｅａｍａｎｄｓｃｈｌｉｅｒｅｎｐｈ０ｔｏｇｒａｐｈｙ［Ｊ］．Ｒｅ　　　　　ｓｅａｒｃｈｉｎＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，２Ｏ１０，１６（２）：５５～６４．　　　　　　　　—　［１５］ＹＡＮＧＹ，ＫＷＡＮＧＨ，ＤＡＶＩＤＫ，ｅｔａ１．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｎｆｉｂｅｒｏ　　　　　　　ｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣＦＲＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ　　—　　　ｕｓｉｎｇｏｎｅ－ｓｉｄｅｄｐｉｔｃｈｃａｔｃｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　—　　ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，６９（１３）：２０４２２０４７．　　　　　　　　　［１６］ＬＥＣＬＥＺＩＯＥ，ＶＡＮＤＥＲＭＥＵＬＥＮＦ，ＦＥＵＩＬＩＡＲＤＧ，ｅｔａ１．　　　　　　　　Ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｂａｓｅｄ　　　　　　ｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄ—　—　　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００７，１０１（１１）：１１４９１１１１４９１１８．　　　　　　　—　［１７］ＸＡＶＩＥＲＥ，ＣＬＡＵＤＩＯＰ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｉｎｖｅｓｔｉ　　　　　　　　ｇａｔｉｏｎｏｆｉｍｐａｃｔｄａｍａｇｅｉｎＧＦＲＰｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎ　—　　ＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，２０１０，１３（１）：２３３６．　　　　　　　　［１８］王铮，梁菁，史丽军，等．炭纤维增强树脂基复合材料层压板接触　　　　　　　　　　　　　式超声检测缺陷评定方法分析［Ｊ］．南京航空航空大学学报，　—　２０１２，４４（增刊）：１３８１４１．　　——　　—　收稿日期：２０１２０２２７；修订日期：２０１２－０７０５　　　　　　　　作者简介：王铮（１９７８一），女，高级工程师，硕士研究生，现从事航空金　　　　　　　　　属材料及复合材料的无损检测技术研究工作，联系地址：北京市８１信　　箱６分箱（１０００９５），Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｈｅｎｇｎｌｎ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ。ｃｎ