[发明专利]一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法

说明书

一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法，属于无损检测技术领域。该方法采用一套包含超声波探伤仪、直接接触式平探头及计算机的孔隙率检测系统；由待测CFRP牌号获取材料参数，基于随机介质理论和数字图像处理技术建立具有复杂孔隙形貌特征和材料属性的真实形貌孔隙模型，并借助时域有限差分软件仿真计算建立孔隙率P与超声衰减系数α_sim之间联系，线性拟合得到P‑α_sim关系式；依据超声C‑scan结果选取待检测区域，采用接触式脉冲反射法对所选区域进行多点采集，实验计算α_exp和与孔隙形貌特征有关的衰减谱斜率K；由P‑α_sim关系式及K值，实现CFRP孔隙率表征；该方法在考虑孔隙形貌特征的基础上实现CFRP孔隙率表征。

技术领域

本发明涉及一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon FibreReinforced Plastics，CFRP)孔隙率表征方法，其属于无损检测技术领域。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有高比强度、耐高温、耐腐蚀等优势，在航空航天等领域应用广泛；由于CFRP在生产过程中会不可避免地产生孔隙，孔隙的存在将直接导致材料的层间剪切强度、弯曲强度、纵/横向拉伸强度等力学性能下降，严重损害材料的使用寿命；航空航天领域通常要求复合材料构件的孔隙率在2％以下，某些主承力构件甚至要求孔隙率低于1％；因此，工程应用中亟需一种准确可靠的CFRP孔隙率无损检测方法。

超声检测法具有适用范围广、方向性好、检测灵敏度高、对人体无害等优点，且随着计算机技术和自动化技术的发展，超声检测的精度和效率得到极大提升，已经成为目前最通用的复合材料无损检测方法；根据所应用的超声参量不同，常见的CFRP孔隙率超声检测方法包括声速法、声阻抗法、衰减法等；声速法需要较高分辨率的检测系统才能分辨出声速变化；声阻抗法对声速和密度测量的准确性要求也较高，导致上述方法适用性较低；超声衰减法检测原理明确、测试技术简单、受纤维含量影响较小，是目前最受关注的孔隙率无损检测方法；该方法从时域角度出发，利用超声波经过CFRP样品后的回波幅值大小实施孔隙率评价；但是，受实验样品和孔隙形貌(孔隙尺寸、形状、分布等)影响，对于相同孔隙率的样品，得到的超声衰减系数数值存在一定差异；对于不同孔隙率的样品，也可能得到同一超声衰减系数值，导致孔隙率和超声衰减系数之间存在非唯一对应关系；因此，仅利用时域信号幅值进行CFRP孔隙率评价存在一定局限性。

CFRP中不同孔隙形貌对超声波的调制作用和频率的敏感度均不同，导致入射声波与反射回波的频率成分产生差异；基于傅里叶变换，将超声时域信号转换到频域，利用频域信息能够反映时域信号不敏感的特征，可进一步对CFRP孔隙率实施表征；本发明从时域和频域角度出发，在现有的超声衰减系数表征CFRP 孔隙率的基础上，引入衰减谱斜率K，为CFRP孔隙率的表征提供了新思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超声双参数的碳纤维增强树脂基复合材料孔隙率表征方法；该方法采用一套包含超声波探伤仪、直接接触式平探头及计算机的孔隙率检测系统；由待测CFRP牌号获取材料参数，基于随机介质理论和数字图像处理技术建立具有复杂孔隙形貌特征和材料属性的真实形貌孔隙模型(Real Morphology Void Model,RMVM)，并借助时域有限差分软件仿真计算建立孔隙率 P与超声衰减系数α_sim之间联系，线性拟合得到P-α_sim关系式；依据超声C-scan 结果选取待检测区域，采用接触式脉冲反射法对所选区域进行多点采集，实验计算α_exp和与孔隙形貌特征有关的衰减谱斜率K；由P-α_sim关系式及K值，实现CFRP 孔隙率表征；该方法考虑了孔隙形貌特征对孔隙率表征的影响，为CFRP孔隙率表征提供新思路。