[发明专利]一种纤维增强复合材料性能判断方法及其应用

说明书

本发明公开一种纤维增强复合材料性能判断方法，其特征在于，包括以下步骤：利用探伤设备获取纤维复合材料的缺陷信息，然后将缺陷信息传入到有限元分析软件之中进行分析，结合有限元分析结果，判断纤维复合材料是否满足设计要求。

技术领域

本发明属于纤维复合材料领域，特别涉及纤维复合材料无损检测缺陷的检测方法。

背景技术

纤维增强复合材料由纤维和基质组成，内部缺陷的形式有纤维层搭接，纤维层分层，孔隙，裂纹，以及纤维未按预设角度铺放或在成型过程种造成的纤维偏移等。缺陷的形态多为长条形，片层，椭球形等异形。在实际工程设计和纤维复合材料制造过程中，需要对纤维复合材料的质量进行研判，一般由操作人员对无损探伤结果的主观判断决定纤维复合材料是否合格，这就造成有些划归为不合格品中的缺陷的类型和尺寸以及位置不影响纤维复合材料的结构稳定和实际性能的使用，合格品中的缺陷类型和尺寸以及位置却对纤维复合材料的结构稳定和实际性能的使用产生极大的风险，因此本领域亟需一种可以准确判断出无损探伤结果真实情况的技术，以适用于产业发展的需要。

发明内容

（一）技术问题分析

纤维属于脆性材料，因此纤维力学性能易于受到缺陷结构影响，缺陷可以分为表面缺陷和内部缺陷，其中表面缺陷约占90%以上。由于纤维制备流程长，因此在制备过程中会不可避免产生缺陷结构。

纤维复合材料中的缺陷主要来源于两个方面：一种是原材料缺陷，另一种是制造常见的缺陷类型有孔隙、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开裂、曲、富胶或贫胶、纤维体积百分比超差、纤维/基体界面结合不好等。其中，分层和孔隙这两种最常见的缺陷。分层是指层间的脱粘或开裂，是纤维复合材料结构中的典型缺陷。分层形成的原因有如下几个方面：基体纤维间热膨胀系数不匹配或储存时间过长；增强材料未经处理；含胶量过低；粘接剂选择不当或固化工艺不合理、加压点控制不准确；相邻铺层间的铺层间隔时间过长；树脂提前固化等。纤维铺层间的分层是纤维树脂基复合材料中最为严重的缺陷类型，它通过降低材料的压缩强度和刚度影响结构的完整性。在承受机械或热载荷的条件下，结构中的分层会发生传播，情况严重时将可能导致材料发生断裂。孔隙是复合材料成形过程中形成的空洞，是纤维复合材料的主要缺陷之一。一般分为：延单纤孔隙(包括纤维束内孔隙)和层板孔隙。孔隙率小于1.5%时，孔隙为球形；孔隙率大于1.5%时，一般为柱形，孔隙与纤维轴向平行。纤维复合材料中的孔隙主要影响材料的层间剪切强度、纵向和横向弯曲强度与模量、纵向和横向拉伸强度与模量、压缩强度与模量等性能。有研究表明，孔隙率在0~5%之间，每增加1%，层间剪切强度下降7%，弯曲模量以5%左右的比例下降，其他性能以10%左右的比例下降。要制得高品质的纤维产品，就要严格控制生产中的每一个步骤，避免缺陷。

在纤维增强复合材料的缺陷形式当中，孔隙形态、树脂聚集形态、偏移纤维等对于材料质量的好坏具有重要的参考意义，其他领域一般的无损检测方法只是对焊缝质量进行判定，只对试样的拉伸性能进行模拟，不适用纤维复合材料的检测。

而对于纤维增强复合材料的缺陷判断，现有的由操作人员对无损探伤结果的主观判断决定纤维复合材料是否合格的关键在于对于纤维复合材料是否合格没有固定的客观标准，本质上是因为人的主观因素所占据的比例过大，每个人对于缺陷的形状、轮廓、大小的主观认知是不一样的，不同的人会产生不同的判定结果，因此必须引入客观性判定机制，所谓的客观性判定机制就是在严格按照国家和行业的质量标准的基础上，采用计算机机器判定，而计算机机器判定将不受个人主观意志的决定。

这里面就引申出来一个重要的技术要点，就是如何是机器判定出真实值与实际值之间的近似程度，本发明经过研究引入数值模拟系统，数值模拟也叫计算机模拟，依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。