复合材料孔隙含量超声多参量评价方法研究.pdf

２０１６年第３期玻璃钢／复合材料５５复合材料孔隙含量超声多参量评价方法研究陆铭慧，李沛芮，王旭（１．南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌３３００６３；２．海洋石油工程股份有限公司，青岛２６６２００）摘要：复合材料由于其强度高、疲劳强度好等优点，在航空航天领域应用十分广泛。然而在其制备过程中易产生孔隙微缺陷，显著地降低了材料的最终力学性能。提出一种复合材料孔隙含量超声多参量评价方法，通过对超声相对非线性系数的测量，并对比研究声速、声衰减测量方法，建立复合材料孔隙微缺陷与各参量的定量联系和评价方法。实验结果表明，可采用超声相对非线性系数、声速和声衰减系数评价复合材料孔隙含量，其中声速能快速地反映复合材料的致密性，声衰减系数在一定尺寸范围内评价更加精准，对于声速和声衰减系数变化不明显的试块，采用超声相对非线性系数评价，为复合材料孔隙含量评价的研究提供了参考。关键词：复合材料；超声检测；孔隙；多参量中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）０３－００５５－０５近年来，复合材料由于优良的性能被广泛应用于航空、航天、汽车制造等领域。然而在制造复合材料的过程中，容易出现孔隙微缺陷，它的存在严重影响材料的使用寿命和力学性能，因此对复合材料进行孑Ｌ隙含量无损评价具有重要意义。由于超声波具有穿透能力强、方向性好、对人体无害等优点，超声检测是目前用于复合材料孔隙评价最常用的检测方法¨Ｊ。对于孔隙微缺陷的超声评价方法，目前主要有声速法、声阻抗法、声衰减法、背散射法和非线性声学检测方法等Ｊ。文献［１．４］中对于复合材料孔隙含量评价的方法有很多，但都是研究单一参量与孔隙的关系，本文把超声相对非线性系数、声速和声衰减系数作为评价复合材料孔隙含量的参量，确定复合材料孔隙微缺陷与各参量之间的敏感程度，进行综合评价。１材料的声学特性１．１非线性特性非线性参数Ｂ／Ａ，其定义是在绝热条件下，介质状态方程泰勒展开式中二阶项系数与线性项系数之比，从数学上描述了正弦波通过媒质时波形畸变的程度。Ｂｒｅａｚｅａｌｅ等人利用奇异摄动法研究发现，非线性系数与弹性常数存在如下关系Ｊ：＝Ｂ＝（１）（）其中，卢为非线性系数；Ｋ２和分别为介质的二阶和三阶弹性常数。而弹性常数与材料的微观结构、内部微缺陷等密切相关。所以可通过超声非线性系数对复合材料孔隙微缺陷进行评价。１－２声速超声波在介质中的传播速度简称为声速。同一波型的超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量和密度有关］。Ｍａｔｉｎ通过实验发现，当孔隙率小于５％时，声—速会随着孔隙率的增加而减小］。Ｒｅｙｎｏｌｄｓ和Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ的研究表明，声速与孔隙率之间存在如下关系Ｊ：—Ｖ＝ＶｏｋＰ（２）式中，Ｐ为材料的孔隙率；Ｖｏ为无孔隙时介质声速；为常数。因而，可以根据声速的变化来评价复合材料中的孔隙含量。１．３声衰减超声波在介质中传播时，随着距离的增加，超声波能量逐渐减弱的现象叫作超声波衰减。周晓军等人建立复合材料超声衰减模型，研究结果表明，声收稿日期：２０１５－１０．１４基金项目：国防科工局技术基础科研项目（Ｚ２０２０１４Ｔ００１）作者简介：陆铭慧（１９６３一），女，博士，副教授，主要从事超声检测研究及教学。通讯作者：李沛芮（１９９１一），男，主要从事超声检测研究。５６复合材料孔隙含量超声多参量评价方法研究２０１６年３月衰减系数与孔隙率之间存在的关系如下¨¨］：＝Ｇ。＋Ｇ１Ｐ＋Ｇ２Ｐ了４（３）其中，Ｏｌ为衰减系数；Ｇ。、Ｇ。和Ｇ：为常数；Ｐ为孔隙率。从而，可以用声衰减系数评价复合材料中的孔隙含量。本文采用超声相对非线性系数、声速和声衰减系数等多参量评价复合材料孑Ｌ隙含量。其中超声相对非线性系数对于某些不敏感的微缺陷具有特殊优势；声速测量容易实现、限制条件相对较少，测量结果稳定，重复性好，能够快速反映材料信息；对于用声衰减系数评价孔隙含量的研究已逐渐成熟Ｊ。２声学特征参量测量方法２．１相对非线性系数的测量本文利用有限振幅法激发材料非线性效应，对材料特性进行表征¨引。评价有限振幅声波非线性产生程度的一个重要参数是非线性系数，其表达式如下：８Ａ卢（４）２４Ａ１丽３３（５）其中，卢为二阶非线性系数；为三阶非线性系数；＝，为波数；为角频率；ｃ为波速；Ａ、Ａ和Ａ３分别为基波幅值、二次谐波幅值和三次谐波幅值；为波传播的距离。Ａ本文采用二阶相对非线性系数卢ｏｃ和三阶Ａ１，４相对非线性系数ｏｃ作为特征参数，测试基波、Ａ１二次谐波和三次谐波的幅值，通过二阶和三阶相对非线性系数来评价复合材料孔隙含量。２．２声速的测量常规纵波直探头脉冲反射法测量纵波声速时，原理简单、实际操作方便，且结果可靠。故本文采用该方法测量声速。需要读出超声信号一次回波与二次回波之间的时间间隔ｔ，又知声波在一次回波与二次回波之间两次穿过样品，板厚为ｄ，故声波在此位置的声速为：ｃ：一２ｄ（６）ｔ｜娼ｌｌ２．３声衰减系数的测量由于本文的实验对象为２～５ｒａｍ的复合材料薄板，故采用直探头脉冲反射法测量声衰减系数。材料的声衰减系数按式（７）计算。２０ｌｇ㈢（７）其中，ｍ和为底波的反射次数；Ｂ和为第ｍ、凡次底波幅值；为薄板的厚度；为反射损失。３声学特征参量测量３．１相对非线性系数测量系统图１为测量相对非线性系数的系统原理图。系统主要包括ＲｉｔｅｃＲＡＭ－５０００一ＳＮＡＰ非线性超声测试系统、衰减器、低通滤波器、带通或高通滤波器、前置放大器、计算机、示波器、发射和接收换能器以及夹具。其中，带通滤波器用在测量二阶相对非线性系数时，测量三阶相对非线性系数时选用高通滤波器。器器图１测量相对非线性系数的系统原理图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ实验系统采用声波透射法测量基波和高次谐波的幅值。发射换能器采用中心频率为２．５Ｍ的ＰＺＴ晶片，接收换能器为中心频率为５ＭＨｚ的ＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓＣ１０９探头，进行宽带接收。通过ＲＡＭ一５０００．ＳＮＡＰ非线性超声测试系统自带软件，分别读取基波和高次谐波的幅值，同时考虑二者的增益差，通过公式计算得到材料的相对非线性系数。３．２声速、声衰减系数测量系统材料声速和声衰减系数的测量系统由５０５８ＰＲ高压超声脉冲发生／接收器、ＴＤＳ３０３２Ｂ数字示波器和发射接收换能器组成。实验系统采用脉冲反射法测量声速和声衰减系２０１６年第３期玻璃钢／复合材料５９５结语复合材料的材料性质和结构形式复杂多样，不能仅凭单一的参量来评价孔隙含量。本文以超声相对非线性系数、声速和声衰减系数作为评价复合材料孔隙含量的参量进行实验研究。研究结果表明，可用超声相对非线性系数、声速和声衰减系数对复合材料孔隙微缺陷进行评价。对于可通过声速和声衰减系数明显区分的试块，采用声速和声衰减系数进行评价，其中声衰减系数在一定尺寸范围内评价更加精准，而声速能快速地反映复合材料的好坏。对于声速和声衰减系数变化不明显的试块，采用超声相对非线性系数评价，其中三阶相对非线性系数在差异度允许的范围内对于孔隙的变化更敏感，对复合材料孑Ｌ隙含量评价研究具有重要意义。参考文献［１］周正干，黄凤英，魏东．复合材料孔隙率超声检测方法综述［Ｊ］．—航空制造技术，２ｏｏ９（１５）：１０４１０６．［２］何方成．复合材料孔隙率的超声检测方法探讨［Ｊ］．材料工程，—２００９（Ｓ１）：５７６０．［３］李建国．碳纤维复合材料孔隙率及其检测方法［Ｊ］．纤维复合材料，２０１２（４）：２０－２３．［４］杨玉娥．碳纤维复合材料的无损检测综述［Ｊ］．济南大学学报—（自然科学版），２０１５，２９（６）：４７２４７３．［５１祝婧．基于非线性超声的ＲＴＭ／纺织复合材料孔隙评价研究［Ｄ］．南昌：南昌航空大学，２０１４．［６］Ｂｒｅａｚｅａ—ｌｅＭＡ，ＰｈｉｌｉｐＪ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｒｄｏｒｄｅｒｅｌａｓｔｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｓｆｒｏｍｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．——ＰｈｙｓｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓ，１９８４，１７（Ａ８５２８５９６１２７１）：１－６０．［７］郑晖，林树青．超声检测［Ｍ］．北京：中国劳动社会保障出版社，２００８．—［８］ＭａｒｔｉｎＢＧ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｏｌｉｄｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｖｏｉｄｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，１９７７，４８（８）：３３６８．３３７３．［９］ＲｅｙｎｏｌｄｓＷＮ，ＷｉｌｋｉｎｓｏｎＳＪ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ—ｐｏｒｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｂｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｖｅｌｏｅ—ｉｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，１９７８，１６（４）：１５９１６３．［１０］周晓军，游红武，程耀东．含孔隙碳纤维复合材料的超声衰减模型［Ｊ］．复合材料学报，１９９７，１４（３）：９９．１０５．［１１］李钊，周晓军，杨辰龙，等．变厚度碳纤维复合材料孔隙率超声衰减模型［Ｊ］．农业机械学报，２０１４，４５（７）：３２５．３３１．［１２］徐建勇．碳纤维复合材料孔隙缺陷超声检测技术研究［Ｄ］．浙江：浙江大学，２０１３．［１３］李钊．碳纤维复合材料孔隙率超声检测与评价技术研究［Ｄ］．浙江：浙江大学，２０１４．［１４］罗明．碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率超声无损检测［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００７．［１５］马雯，刘福顺．玻璃纤维复合材料孔隙率对超声衰减系数及力学性能的影响［Ｊ］．复合材料学报，２０１２，２９（５）：６９－７５．［１６］ＪａｍｅｓＡＴｅｎｃａｔｅ．ＮｅｗｎｏｎｌｉｎｅａｒａｃｏｕｓｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒＮＤＥ［Ｊ］．—ＡＩＰＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００１，５５７（１）：１２２９１２３６．ＴＨＥＳＴＵＤＹＯＦＣ０ＭＰＯＳＩＴＥＳＶＯＩＤＳＣＯＮＴＥＮＴＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣｍＬＴＩ－ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＥＶＡＬＵＡＴＩｏＮＭＥＴＨｏＤＬＵＭｉｎｇ．ｈｕｉ，ＬＩＰｅｉ．ｒｕｉ¨，ＷＡＮＧＸｕ（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００６３，Ｃｈｉｎａ；２．ＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６２００，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｇｏｏｄｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｅｒｏｓｐａｃｅｆｉｅｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｖｏｉｄｓａｒｅｅａｓｉｌｙｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｉｔｓｉｇｎｉｆ—ｉｃａｎｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｍａｔｅｒｉ—ａｌｓｆｉｎａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｒｅｃｏｎｔｅｎｔｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｗｏｒｋｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｒｅｌａｔｉｖｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｓｏｕｎｄ—ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｓｅｔｕｐｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｏｒｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｖａｒｉｏｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｓｏｕｎｄａｎｄａｃ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