[發明專利]一種確認碳纖維增強復合材料孔隙率與超聲衰減系數關系的方法

在審

• 申請號: 201510338525.0
• 申請日: 2015-06-17
• 公開（公告）號: CN104897550A
• 公開（公告）日: 2015-09-09
• 發明（設計）人: 林莉;丁珊珊;羅忠兵;金士杰;陳軍;劉歡
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 花向陽

技術領域

本發明涉及一種確認碳纖維增強復合材料孔隙率與超聲衰減系數關系的方法，其屬于超聲無損檢測技術領域。

背景技術

碳纖維增強復合材料(Carbon?Fibre?Reinforced?Plastics,CFRP)具有高比強度、耐高溫、耐腐蝕等優勢，在航空航天等領域得到廣泛應用。由于CFRP在生產過程中會不可避免地產生孔隙，孔隙的存在將直接影響材料的力學性能。航空航天領域通常要求復合材料構件的孔隙率在2％以下，某些主承力構件甚至要求孔隙率低于1％。因此，工程應用中亟需一種準確可靠的CFRP孔隙率無損檢測方法。

超聲衰減法原理明確、測試方法簡單、受纖維含量影響較小，因此成為目前最普遍的CFRP孔隙率檢測方法。采用該方法檢測CFRP孔隙率的前提和基礎是得到準確可靠的P-α關系，而獲得該對應關系的主要研究方法是建立含孔隙復合材料超聲散射衰減模型，通過理論或數值計算方法探討P-α關系。文獻調研表明，不同階段研究工作的差別主要體現在對孔隙形貌的定義和描述方面，按照孔隙形狀的差異，可將模型分為確定性和非確定性兩種，前者主要包括以下三種：(a)B.G.Martin建立的離散分布球形孔隙模型；(b)Hale和Ashton以P＝1.5％為界建立的球形/圓盤孔隙模型；(c)Hsu和Nair建立的具有橢圓截面的柱狀孔隙模型。非確定性模型指的是林莉等基于統計學方法及隨機介質理論建立的隨機孔隙模型(Random?Void?Model,RVM)。對模型的不斷改進提高了P-α關系實驗與計算結果之間的符合程度，特別是由RVM得到的數值計算結果與實驗結果符合程度明顯優于前期的確定性模型。但是上述模型的計算結果與實驗結果仍然存在差距，且不同學者在相同孔隙率下計算得到的α也不盡相同。此外，近年來研究表明，CFRP孔隙形貌對超聲散射衰減存在影響，由于孔隙形貌差異，同一孔隙率下得到的α值可能有所不同。

上述研究表明，P與α之間可能存在多值對應關系，本發明的目的是建立能夠準確、真實地描述孔隙形貌特征的孔隙模型，從而更明確地揭示孔隙率與超聲衰減系數之間的多值對應關系。

發明內容

本發明的目的是基于真實形貌孔隙模型確認CFRP孔隙率與超聲衰減系數之間的多值對應關系。為了獲得更為準確可靠的P-α關系，從而深刻闡述CFRP復雜形貌孔隙的超聲散射衰減機理，本發明建立了能夠充分反映CFRP孔隙形貌的真實形貌孔隙模型，并借助FDTD方法確認P與α之間的多值對應關系。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種確認碳纖維增強復合材料孔隙率與超聲衰減系數關系的方法，其特征是：依據CFRP孔隙形貌的金相照片建立真實形貌孔隙模型，經過數值計算確認CFRP孔隙率與超聲衰減系數之間多值對應關系，它采用的步驟如下：

(a)超聲信號數據采集

采用超聲C掃描檢測方法對CFRP孔隙率試樣的一次底面回波進行掃查，掃描圖像中不同的顏色對應不同的一次底面回波幅值，選擇掃描圖像中φ≥6mm的顏色分布均勻區域為研究對象，對其進行時域波形采集和分析處理，得到該研究對象的超聲衰減系數實驗值α_mea；

(b)真實形貌孔隙模型建立及孔隙率統計

將選定的研究對象從樣品上切割下來，沿平行于纖維鋪設方向逐層磨削并拍攝金相照片，獲得具有CFRP真實孔隙形貌的連續切片照片，將原始金相照片的亮度、對比度以及黑暗邊界調整后，對圖像進行中值濾波預處理和二值化處理可得到含基體及孔隙形貌信息的二值原位圖像，將CFRP原位圖像中的孔隙和基體賦予不同的材料屬性，并采用時域有限差分(Finite?Difference?Time?Domain,FDTD)方法對其進行網格離散化即可建立真實形貌孔隙模型，最后，根據灰度值的不同統計出真實形貌孔隙模型中的孔隙率P；

(c)超聲衰減系數數值計算

采用FDTD方法將步驟(b)得到的真實形貌孔隙模型進行數值計算，得到超聲波在厚度為d的真實形貌孔隙模型中傳播的入射波聲壓p₀及一次底面反射回波聲壓p₁，利用公式(1)求得該模型的超聲衰減系數模擬值α_sim，