[发明专利]碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种碳纤维增强复合材料孔加工缺陷的检测，具体涉及的是一种基于高频率超声扫描显微镜(ScanningAcousticMicroscope，简称SAM)检测技术的三维分层因子表征的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP)的制孔加工是广泛应用的机加工工艺之一。制孔加工质量研究是碳纤维增强复合材料切削加工应用研究的核心。碳纤维增强复合材料单向层合板制孔缺陷的主要类型包括：分层、毛刺和撕裂。在诸多加工缺陷中，分层缺陷是指碳纤维增强复合材料单向层合板加工过程中发生在材料内部的层间结合失效，其被公认为是对制孔质量有致命影响的一种缺陷。

作为碳纤维增强复合材料单向层合板制孔加工中最致命的一种缺陷，分层缺陷的准确检测和描述是制孔质量评价所必须研究的内容，也是碳纤维增强复合材料单向层合板高效、低缺陷孔加工工艺研究的基础。

由于发生在碳纤维增强复合材料层合板内部的层与层之间，分层缺陷的准确测量比较困难。请参阅图1，发生在孔钻削入口处的分层缺陷称为剥起分层(Peel-updelamination)，请参阅图2，发生在孔钻削出口处的分层缺陷称为推离分层(Push-outdelamination)，进、出口两种分层缺陷并不容易被直接观察和检测；而尤其当分层缺陷发生于更靠近材料的内部时，即使将孔进行剖切也不易找到分层缺陷的位置并进行准确测量。另外，分层缺陷在生产中要求的控制精度较高，一般要求至少可以实现亚微米级别的微小分层检测。针对碳纤维增强复合材料单向层合板分层缺陷的检测要求为：(1)无损探测，以不破坏成型之后的碳纤维增强复合材料的结构件；(2)有一定穿透深度，从而可以检测表面层以及碳纤维增强复合材料层合板内部一定范围内的分层空隙；(3)分辨率和精度高，要求分辨率达到微米级、精度5μm以上。

目前，对CFRP分层缺陷进行评价常用的检测方法主要有：(1)光学检测：大多数研究者都是利用光学照片来得到表面层材料的分层情况，但是这种方法一方面对分层缺陷的评价精度有限，另一方面未能考虑层合板内部的分层情况；(2)渗透检测：还有研究者采用渗透检测再结合射线检测的方法，即在孔的周围涂二碘钾烷或四溴已烷，然后利用X射线探伤拍摄分层情况的照片，但这种方法仍然不能检测材料中间每一层的分层情况；(3)超声C扫描探伤检测：也是常用碳纤维增强复合材料的无损检测方法之一，由于常用的超声C扫描设备的频率有限，直接导致其精度也较为有限(常用的分辨率为0.2mm)，一般只能用于CFRP材料制备过程中大缺陷的定位和检测，而对于微小分层缺陷的检测能力不足；(4)工业CT检测：CT即计算机断层扫描，直接用射线扫描断面，得到该断面的孤立成像，不受其他断层的影响，但CT检测存在伪像现像，不但影响检测判断，而且成本也较高；(5)红外热波检测：利用具有缺陷的工件在热性能上的变化，用变化性热源来获得被检测材料的均匀性信息及表面下的结构及热属性特征，然而缺点是深度方向检测能力较差，热传导之后会使缺陷的边缘扩大和模糊。