碳纤维复合材料缺陷检测方法研究

碳纤维复合材料蜂窝夹芯特殊结构无损检测研究1.研究内容本文以碳纤维复合材料蜂窝夹芯结构试验件的过渡区为主要被检测对象，该试验件为碳纤维复合材料NOMEX蜂窝夹芯结构，预制缺陷设计较为特殊，采用发泡胶模拟预制缺陷，位于蜂窝过渡区与平板区的三角区域，缺陷宽度仅有2mm，对无损检测的实施提出了较高要求，试验件示意图如图1所示。

为掌握试验件在规定疲劳试验周期内损伤扩展特性，试验过程检测与飞机在役检测更为相似，对其检测方案及可行性的研究显得尤为重要。

1.检测方法无损检测技术是指在不损坏材料或产品原有的形状、性能的基础上，利用光、声、电、磁、热和射线等技术检测其是否有损伤，以确保其可靠性的检测技术。

利用不同的无损检测技术，对材料表面和内部进行检测，并对缺陷的类型、大小、深度、范围、数量等做出准确判断，由此可以判断材料或构件是否可以进行下一步的生产制造或者维修服役情况。

目前碳纤维复合材料蜂窝夹芯结构常用的无损检测方法通常有以下几种方法。

1.1.敲击检测法敲击检测法是使用时间最早应用范围最广的一种无损检测方法。

主要是通过对物体进行适当的敲击来获取试件的振动信息通过振动频率是否改变来判断试件内部是否含有损伤，敲击检测法主要并且广泛应用于蜂窝夹芯结构、多层结构和网状结构对胶粘剂质量的检测。

它适用于结构内部的脱胶、夹杂、分层等缺陷，但对小尺寸缺陷的检测不敏感。

传统的敲击检测是利用适当的敲击工具（小锤、硬币等）对被测材料进行敲击，并通过被测材料振动产生的声咅来判断材料的内部损伤。

现代数字敲击检测是利用传感器对振动信息进行采集，然后对采集的振动信息进行分析从而得到准确的检测结果。

1.1.超声波检测超声波检测法是目前复合材料无损检测的主要方法之一。

超声波无损检测技术主要根据复合材料自身和其缺陷对超声波传播的阻碍来判断材料表面及内部的缺陷，能检测复合材料中的内部缺陷如疏松、分层、夹杂、裂纹等，还能对材料厚度和性能进行评估。

超声波具有很强的穿透能力，可对较厚的材料进行探测，灵敏度高，操作简单，对缺陷的深度、大小，范围进行精准检测。

无损检测技术在碳纤维复合材料检测中的应用研究摘要：在科学技术快速进步的背景下，关于碳纤维复合材料方面的研究逐渐增多，材料生产成本明显下降，增加了碳纤维复合材料应用范围，同时也对其提出了全新的应用要求。

在碳纤维复合材料生产过程中，可能受到生产流程和人为因素影响，出现缺陷和损伤情况，因此需要采用严格的检测技术，了解碳纤维复合材料问题形成原因，制定针对性解决建议。

关键词：无损检测技术；碳纤维复合材料；技术应用引言近年来，我国的建筑行业得到了迅速的发展，对社会经济建设也起到了推动作用，然而，在建筑工程建设过程中，由于受到多种因素的影响以及建筑材料本身性能的限制，会造成工程质量存在较多问题。

在目前的建筑工程检测中，无损检测技术得到了广泛的应用，可以通过无损检测技术实现对工程施工质量以及性能的准确评估。

同时，在此过程中还能发现问题并且及时解决问题，确保工程项目能够安全稳定运行。

1无损检测技术概述无损检测技术主要是指，在对物体内部进行检查过程中，能够不损害、不影响被检测对象的使用性能，同时不会对被检测对象的内部组织产生影响。

无损检测技术在应用过程中，主要是对物质声、光、磁、电等特性的利用，在不损害、不影响被检测对象使用性能基础上，检测被检测对象是否存在缺陷情况、不均匀情况，通过对物体内部结构异常、缺陷的利用，促使声、光、电、磁等发生变化。

反映出缺陷大小信息、位置信息、性质信息等。

或者利用物理方式或者化学方式，借助设备器材、技术方式等，对试件内部、表面结构、状态、缺陷、性质、尺寸、形状以及数量等进行检查与测试的方式就被人们称之为无损检测技术。

无损检测具有非破坏性、全面性、全程性优势。

比如，非破坏性优势主要体现为，在检测过程中不会对被检测对象的使用性能产生影响；全面性优势主要体现为，在必要情况下能够实现对对象的100%检测，这也是破坏性检测无法实现的，破坏性检测通常会将其应用在原材料检测中。

因为无损检测技术不会对被检测对象使用性能造成影响，因此，不仅可以将其应用在原材料检测，还可以将其应用在中间工艺环节检测等全过程中。

第３４卷第１９期中国机械工程V o l ．３４㊀N o ．１９２０２３年１０月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．２３２７Ｇ２３３２碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价杨㊀亮㊀蔡桂喜㊀刘㊀芳㊀李建奎中国科学院金属研究所,沈阳,１１００１６摘要:为实现碳纤维复合材料制孔结构的无损检测与评价,基于超声波脉冲反射法原理,研制了便携式超声螺旋C 扫描检测仪器,建立了制孔结构质量评价的数学模型.通过对人工试样和在役孔进行超声波检测试验,基于静矩原理确定了不规则超声C 扫描图像形心,提取了图像中过形心的最长轴线,计算了最长轴线与孔的公称直径比值(R L N )以评价制孔质量.结果表明,该检测方法可大幅提高检测速度;分层缺陷测量值与实际值相当;检测结果与在役孔的实际形貌具有一致性;R L N 因子可准确评价多种形式的分层缺陷.关键词:碳纤维复合材料;制孔结构;超声检测;螺旋扫查;评价因子模型中图分类号:T B５５３D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２３．１９．００７开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):U l t r a s o n i cN o n d e s t r u c t i v eT e s t i n g an dE v a l u a t i o no fC F R P H o l e Ｇm a k i n g St r u c t u r e s Y A N GL i a n g ㊀C A IG u i x i ㊀L I U F a n g㊀L I J i a n k u i I n s t i t u t e o fM e t a lR e s e a r c h ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６A b s t r a c t :I no r d e r t or e a l i z e t h en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n de v a l u a t i o no f t h eh o l e Ｇm a k i n g st r u c Ｇt u r e o fC F R P ,a p o r t a b l eu l t r a s o n i cC Ｇs c a nt e s t e rw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e p r i n c i pl eo fu l t r a s o n i c p u l s e r e f l e c t i o nm e t h o d ,as p i r a l s c a n n i n g m e t h o dw a s p r o po s e d ,a n da m a t h e m a t i c a lm o d e l f o r t h e q u a l i t y e v a l u a t i o no f t h eh o l e Ｇm a k i n g s t r u c t u r e sw a s e s t a b l i s h e d ．B yp e r f o r m i n g u l t r o s o n i c i n s pe c t i o n t e s t so n a r t if i c i a l s p e c i m e n s a n d i n Ｇs e r v i c e p o r e s ,b a s e d o n t h e s t a t i c d i s t a n c e p r i n c i pl e ,t h e c e n t r o i d o f t h e i r r e g u l a r u l t r a s o n i cC Ｇs c a n i m a g ew a s d e t e r m i n e d ．T h e l o n ge s t a x i s of t h e c e n t r o i dw a s e x t r a c t e d ,a n d t h e r a t i oo f t h e l o n ge s t a x i s t o t h en o m i n a l d i a m e t e r of t h e h o l e (R L N )w a s c a l c u l a t e d t o e v a l u a t e t h e q u a l i t y o f t h eh o l e s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em e t h o dm a yg r e a t l y i m p r o v e th ed e t e c ti o ns pe e d ．T h em e a s u r e dv a l u e s of s t r a t i f i e dd e f e c t a r ee q u i v a l e n t t o t h ea c t u a l o n e s ．T h e r e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t h t h ea c t u a lm o r p h o l og i e so f i n Ｇs e r v i c e p o r e s ．Th e R L Nf a c t o r m a y a c c u r a t e l y e v a l u a t ev a ri o u s t y pe s of s t r a t i f i c a t i o nd e f e c t s ．K e y w o r d s :c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s (C F R P );h o l e Ｇm a k i ng s t r u c t u r e ;u l t r a s o n i c d e t e c t i o n ;s pi r a l s c a n ;e v a l u a t i o n f a c t o rm o d e l 收稿日期:２０２２１２２３０㊀引言复合材料结构部件间以铆钉和螺栓等机械连接为主,所以制孔是复合材料结构部件最终组装前必不可少的工序.碳纤维复合材料(c a r b o n f i Ｇb e r r e i n f o rc ed p l a s t i c s ,C F R P )具有层间强度低㊁非均质且各向异性等特点,在进行钻㊁锪加工时会出现分层㊁撕裂和毛刺等缺陷,影响结构件的装配质量㊁刚度和承载性能,在飞机装配中,由于孔的分层导致的零件报废量占报废总量的６０％[１Ｇ２].因此,对复合材料制孔结构分层缺陷进行无损检测与评价,对保障结构部件的服役安全性至关重要.为实现C F R P 制孔结构的无损检测与评价,目前国内外对此已开展了多方面的研究,主要检测方法有X 射线㊁工业C T 和超声等.X 射线和工业C T 通过分析射线的衰减强度得到C F R P 内部的分层情况,主要用来研究缺陷形成机理和重建缺陷形貌.D U R A O 等[３]通过对比不同直径转头㊁不同转速下的孔结构X 射线图谱,研究了分层缺陷形成机理,结合力学性能试验结果优化了制孔工艺;K O U R R A 等[４]通过工业C T 技术分析了C F R P 层间分层缺陷的圆度与分布,反演了内壁缺陷的三维几何模型,结果表明,工业C T 技术可以有效评估缺陷大小及位置,但设备昂贵,有辐射危害,难以实现工程化应用.还有很多研究者尝试采用超声C 扫描(折返式扫查)的方式检测孔周围的缺陷.T S A O 等[５]用５MH z 探头结合J S R ＧD P R ００２超声脉冲收发器对不同工艺下的制孔结构进行了常规C 扫描,７２３２ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.建立了分层面积与工艺参数的对应关系.魏莹莹等[６]采用７５MH z 高频超声对铺层厚度为０．２mm 的制孔结构进行了检测,认为分层缺陷的形成通常是一种发生在多层材料上的三维结构缺陷,并提出了一种三维体积分层因子的分层评价方法,但工程中C F R P 结构部件的制孔结构数量大且分布范围广,该方法难以满足在役检测的需求.综上分析,当前迫切需要一种可靠且高效的无损检测手段实现对C F R P 在役孔的检测与评价.本研究即针对C F R P 孔的结构特点,采用螺旋式扫查取代传统折返式扫查,建立了不规则缺陷的最长轴线与孔的公称孔径比值(r a t i oo f t h el o n g e s t a x i s t o t h e n o m i n a l a pe r t u r e of t h e h o l e ,R L N )评价因子模型,然后将算法集成于所研制的便携式仪器软件中,以实现对多种形式分层缺陷的检测与评价.１㊀检测原理与仪器组成常规超声波C 扫描检测扫查方式为折返式,如图１所示,分为扫查轴和步进轴[７].在扫查过程中需要对步进轴电机进行频繁的启停控制,既造成机械冲击又严重影响检测速度.图１㊀折返扫查与螺旋扫查对比F i g ．１㊀C o m pa r i s o nb e t w e e n r e t r ac t a b l e s c a na nd s pi r a l s c a n 本文提出的快速螺旋扫查技术在相同扫查分辨力的前提下无需频繁启停步进轴电机,既可以减小机械冲击,又可大幅提高检测速度.以步进轴的步进精度为０．５mm 为例,若步进长度为１００mm ,则每次检测就可以节省２００s 时间,当步进精度更小㊁步进长度更大时,将节省更多时间.如图２所示,检测时,首先将内置５MH z 点聚焦探头的水套置于待检区域,探头焦点聚焦于工件表面,该探头既作为发射探头又作为接收探头.探头发射的超声波经过水和透声介质后在被检工件中沿直线传播.开启按键后,旋转检测机构连动探头进行螺旋扫查,C P U 实时处理超声波检测数据.当探头位于孔周围时,若孔周围无缺陷,则超声波传播至底面处发生反射,形成反射回波(底波),直至被探头接收,如图２中①所示;若孔周围存在点状小缺陷,则超声波传播至缺陷处会发生反射和折射,反射的超声波被探头接收,形成缺陷回波,折射的超声波继续向前传播,直至遇到被检工件的底面,形成底波,如图２中②所示;当探头位于孔上方时,超声波传播至透声介质底部处发生反射,形成界面波被探头接收,如图２中③所示.若孔周围存在大分层缺陷,则超声波传播至缺陷处会发生反射,传播路径被阻隔,不会形成底波,如图２中④所示[８].图２㊀超声检测原理图F i g ．２㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f u l t r a s o n i c t e s t i n g如图３a 所示,超声波螺旋C 扫描检测仪器包括便携式主机和旋转检测机构两部分.便携检测主机由数据采集卡㊁脉冲收发器㊁控制器及驱动器组成,数据采集卡负责采集超声波信号,脉冲收发器负责触发探头并对超声波回波信号进行放大以易于数据采集,控制器及驱动器控制步进电机完成规定圈数扫查并调理编码器触发信号.如图３b 所示,高精度旋转检测装置主要由步进电机㊁传动减速机构㊁编码器㊁启动按键㊁水密封及耦合㊁探头组成.软件控制电机运行参数,经过机械传动模块驱动检测探头在既定平面内沿渐进螺旋线运动.检测探头激励出的超声波经水耦合传播到被检工件内,获取检测区域质量信息,通过接口传送到上位机进行分析与成像.编码器和精密径向步进扫查机构相匹配,探头扫查精度可达到０．０６５mm .最大扫查范围可达ϕ２８mm ,足以覆盖常规C F R P 孔及其周边可疑区域.２㊀评价方法通过超声检测方式获取分层缺陷C 扫描成像是定量评价的原始依据,至今没有统一的标准.８２３２ 中国机械工程第３４卷第１９期２０２３年１０月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)设计基本组成(b)设备设计图及工作原理图３㊀设备基本构成和工作原理F i g．３㊀B a s i c c o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f e q u i p m e n t国内外学者提出了不同的评价因子,以对分层缺陷进行科学合理的评价[９].当前主要以一维直径分层因子和二维面积评价因子为主.C H E N[１０]提出采用最大分层直径与孔的公称直径的比值作为分层缺陷的评价因子F d,即F d＝D m a x D０(１)式中,D m a x为最大分层直径;D０为孔的公称直径.F d评价因子测量简单,是目前较常用的评价制孔结构分层程度的方法.但当最大分层直径相近,分层面积差异较大时,该方法并不适用.如图４所示,图４a㊁图４b中的最大分层直径(D m a x１㊁D m a x２)相等,F d相同,图４a在单方向发生严重的分层剥离,但图４a的分层面积比图４b的分层面积小很多,分层程度明显小于图４b的分层程度.㊀㊀(a)单方向分层损伤㊀㊀(b)多方向均匀损伤图４㊀F d相等时不适宜情况F i g．４㊀I n a p p r o p r i a t e s i t u a t i o nw h e n F d i s e q u a lF A R A Z等[１１]在考虑分层面积的影响后,提出以真实分层面积与孔的公称面积的比值作为分层评价的标准F a,其表达式为F a＝A d An o m(２)式中,A d为实际分层面积;A n o m为孔的公称面积.F a与F d相比可更好地评估分层的程度,但同样存在不足.因为该方法没有考虑分层向某一方向拓展严重的情况.如图５a和图５b所示,分层面积A d１与A d２相等,评估因子F a相等,但图５a分层缺陷在各个方向的拓展程度相近,而图５b 中分层缺陷沿左下方拓展严重,故图５b中孔周围实际分层更为严重.㊀(a)多方向均匀分布㊀㊀㊀(b)分层扩展不均匀图５㊀F a相等时不适宜情况F i g．５㊀I n a p p r o p r i a t e s i t u a t i o nw h e n F a i s e q u a l在二维面积评价因子模型基础上,考虑不规则分层缺陷向某方向拓展较大的情况,基于静矩原理,建立R L N评价因子数学模型,用以评价C F R P孔分层程度.具体实现过程为:通过二重积分算法确定缺陷与孔构成的不规则面积形心,计算不规则面积内通过该形心的最长轴线,最后得出最长轴线与孔的公称直径比值(R L N).形心确定方法如图６所示.图６㊀不规则面积形心提取模型F i g．６㊀I r r e g u l a r a r e a c e n t r o i d e x t r a c t i o nm o d e l假设图５b中不规则区域是一平面薄片,处于O x y平面中的面积为σ,质量为M,质量密度为ρ(x,y),则质量M为M＝∬Dρ(x,y)dσ(３)其质心坐标(x－,y－)为x－＝１M∬D xρ(x,y)dσ(４)y－＝１M∬D yρ(x,y)dσ(５) ９２３２碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价 杨㊀亮㊀蔡桂喜㊀刘㊀芳等Copyright©博看网. All Rights Reserved.当ρ(x ,y )为常数时,即不规则区域为均匀分布时,M ＝ρσ,质心坐标(x －,y －)即为不规则平面区域D 的形心坐标,则推导出不规则二维图像形心坐标如下:x －＝１σ∬Dx dσ(６)y －＝１σ∬Dy dσ(７)不规则区域中任意通过该形心的直线将该图像分割成面积相等的两部分.从图６中可以看出形心位置明显与孔圆心位置不一致,这是由于分层缺陷向各方向拓展程度不同造成的,当分层缺陷向各方向拓展程度相同时,形心与孔圆心位置应重合.故可通过最长轴线与孔的公称孔径比值大小表征分层缺陷向某方向拓展程度,其表达式为F R L N＝D l o n gD ０(８)式中,D l o n g 为不规则面积最长轴线.仪器的上位机软件计算流程如图７所示.图７㊀软件计算流程图F i g．７㊀S o f t w a r e c a l c u l a t i o n f l o wc h a r t 将图４和图５中单方向分层损伤㊁多方向均匀损伤和分层扩展不均匀三种情况按图７中流程计算以R L N 进行评价,结果如图８所示.由图８可以看出,三种制孔结构中实际分层严重程度从大到小为图８c ㊁图８b ㊁图８a .F d 因子评价结果为F d (c )＞F d (b )＝F d (a )(F d (c)表示图８c 所示的分层扩展不均匀情况下的F d 因子评价结果,其余符号类此表达);F a 因子评价结果为F a (c)＝F a (b )＞F a (a );若按R L N 因子进行评价,D l o n g３＞D l o n g ２＞D l o n g １,结果为F R L N (c )＞F R L N (b )＞F R L N (a ),与实际情况一致.故通过R L N 因子评价分层程度时,既能够涵盖单方向分层损伤和多方向均匀损伤的情况,又可避免由于分层扩展不均匀性导致评价结果不合理的问题,具有工程意义.(a )单方向分层损伤㊀(b )多方向均匀损伤㊀(c)分层扩展不均匀图８㊀不同损伤情况下各评价因子对比F i g ．８㊀C o m pa r i s o no f e v a l u a t i o n f a c t o r s u n d e r d i f f e r e n t d a m a ge s i t u a t i o n s ３㊀实验结果与分析人工试样为层压板结构,板厚为７．８mm ,孔的公称直径为５．２mm .试样共有４个孔,含有１个完好孔,以及３个缺陷孔,缺陷为ϕ１．５mm 平底孔,长度为４mm .分别位于试样厚度方向等间隔三处,模拟上中下三个部位的宽度为１．５mm ㊁长度为４mm 的分层缺陷,如图９所示.图９㊀人工试块F i g．９㊀M a n u a l t e s t b l o c k 使用研制的便携式仪器对人工试样中的孔进行检测,扫查的圆形区域直径为１８mm ,成像闸门设置在底波区域,检测结果如图１０所示.从图１０和图１１中C 扫描和D 扫描成像结果可以看出,不同深度位置的分层缺陷均可检出.孔周围无缺陷时,C 扫描成像结果中,红色区域为扫查区域成像,蓝色区域为孔成像;D 扫描成像结果中,深度方向无缺陷波形.当存在分层缺陷时,C 扫描成像结果中,超声波经过缺陷折射后继续向下传播,形成较弱的底波,故当闸门位于底波位置时,孔周围缺陷的C 扫描成像的色阶介于蓝色和红色之间.上中下三部位的缺陷成像位置不同是因为每次放置的旋转检测机构相对位置不同,不影响检测与评价.D 扫描成像结果中,显示了三个不同深度下的分层缺陷.上中下分层缺陷中R L N 评价因子及分层宽度误差如表１所示.０３３２ 中国机械工程第３４卷第１９期２０２３年１０月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.㊀㊀(a )完好孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)存在上层缺陷孔㊀(c )存在中层缺陷孔㊀㊀㊀(d)存在下层缺陷孔图１０㊀人工试块中制孔结构C 扫描成像F i g ．１０㊀C Ｇs c a n i m a g i n g o f t h e h o l em a k i n g st r u c t u r e i n t h e a r t i f i c i a l t e s t b l o ck㊀㊀(a )完好孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)存在上层缺陷孔㊀(c )存在中层缺陷孔㊀㊀㊀㊀(d)存在下层缺陷孔图１１㊀人工试块中制孔结构检测D 扫描成像F i g ．１１㊀D s c a n i m a g i n g o f t h e h o l em a k i n gs t r u c t u r e i n t h e a r t i f i c i a l t e s t b l o c k由表１可以看出,与分层缺陷尺寸相比,所检出分层宽度误差最大为０．１３mm ,分层长度误差最大为０．１９mm ,R L N 值相近.当前扫查范围下,当孔位于扫查中心时,可测量的最大分层长度为６．４mm ,能够覆盖分层缺陷长度.为进一步验证检测及评价方法,对与人工试块制造工艺相同的C F R P 构件中两个在役孔(１号和２号)进行了检测,公称孔径同为５．２m m ,检测结果如图１２所示.针对１号和２号在役制孔结构进行C 扫描成像分析,可看出１号制孔明显出现大面积分层表１㊀上中下分层缺陷检测结果T a b ．１㊀U p p e r ,m i d d l e a n d l o w e r l a ye r d ef e c t d e t e c t i o n r e s u l t制孔结构分层宽度(mm )分层长度(mm )最长轴线(mm )分层宽度误差(mm )分层长度误差(mm )R L N 值F R L N 上层缺陷１．６２４．１５１１．２３０．１２０．１５２．１６中层缺陷１．６３４．１９１１．４４０．１３０．１９２．２０下层缺陷１．６０３．９２１１．０２０．１００．０８２．１２㊀㊀(a )１号孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )２号孔图１２㊀在役构件中制孔结构检测结果F i g ．１２㊀T e s t i n g r e s u l t s o f d r i l l i n gs t r u c t u r e i n i n Ｇs e r v i c e c o m po n e n t s 缺陷,其长轴为１１．９０mm ,R L N 值为２．２９;２号制孔出现单方向分层剥离缺陷,其长轴为６．０５m m ,R L N 值为１．１６.１号和２号在役制孔结构F d ㊁F a 和R L N 评价因子计算结果如表２所示.表２㊀三种评价因子计算结果T a b ．２㊀C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h r e e e v a l u a t i o n f a c t o r s在役制孔F dF aF R L N１号１．７２２．１１２．２９２号１．１２０．０３１．１６㊀㊀从表２中可以看出,当１号在役孔周围明显出现大面积分层㊁缺陷较严重时,F d 值偏小;当２号在役孔周围单方向分层剥离缺陷较严重时,F a 值偏小,不符合实际严重程度.而R L N 因子评价分层程度时,能够涵盖单方向分层损伤和多方向均匀损伤时的极限情况.１号孔和２号孔服役中的实际形貌如图１３所示,可看出１号孔作为结构件的连接孔,其表面已经出现明显的大面积分层;２号孔近表面也出现了单方向微弱劈裂分层,两孔实际形貌与检测结果有较好的一致性,更进一步说明该检测仪器与评价方法对C F R P 制孔结构的良好适用性,故可以通过比较R L N 值的大小评价分层缺陷的严重程度,该方法适用性强,可靠性高.若在评价因子值与孔性能之间建立评价关系,需要根据标准G B /T３０９６８．３ ２０１４«聚合物基复合材料层合板开孔/受载孔性能试验方法第３部分:开孔拉伸强度试验方法»做大量的有损试验,将获取的有损试验数据(不同分层缺陷大小对孔性能的影响)与无１３３２ 碳纤维复合材料制孔结构超声无损检测及评价杨㊀亮㊀蔡桂喜㊀刘㊀芳等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.损检测数据(如R L N 值)进行相关性研究和分析,这也是下一步的研究方向.㊀㊀㊀(a )１号孔㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )２号孔图１３㊀在役构件中制孔结构实际形貌F i g ．１３㊀A c t u a lm o r p h o l o g y o f h o l em a k i n g st r u c t u r e i n a c t i v e c o m po n e n t s ４㊀结论(１)本文提出了超声螺旋C 扫描检测方法,与折返式扫查相比,本文方法在相同扫查分辨力的前提下,既可以避免由于频繁电机启停带来机械冲击,又可以大幅提高检测速度.(２)研制的便携式超声波检测仪器能更加直观和准确地反映分层缺陷的大小㊁位置以及分布状况,以进行缺陷的定量和定位,可满足在役检测需求.(３)基于静矩原理,通过二重积分算法提取不规则缺陷形心,建立了不规则缺陷最长轴线与孔的公称孔径比值(R L N )评价孔质量的数学模型,可对多种类型分层缺陷进行有效评价.参考文献:[１]㊀付鹏强,蒋银红,王义文,等．C F R P 制孔加工技术的研究进展与发展趋势[J ]．航空材料学报,２０１９,３９(６):３２Ｇ４５．F UP e n g q i a n g ,J I A N GY i n h o n g ,WA N GY i w e n ,e t a l ．R e s e a r c h P r o g r e s sa n d D e v e l o p m e n t T r e n d o f C F R P H o l e M a k i n g P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y [J ]．J o u r n a l o fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s ,２０１９,３９(６):３２Ｇ４５[２]㊀S V I N T H C N ,WA L L A C E S ,S T E P H E N S O N DB ,e t a l ．C o r r e c t i o n t o :I d e n t i f y i n g Ab n o r m a lC F R P H o l e s U s i n g B o t h U n s u p e r v i s e d a n d S u pe r v i s e d L e a r n i n g T e c h n i q u e s o n I n Ｇpr o c e s sF o r c e ,C u r r e n t ,a n dV i b r a t i o nS i g n a l s [J ]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r e c i s i o n E n g i n e e r i n g a n d M a n u f a c t u r i n g,２０２２,２３:６０９Ｇ６２５．[３]㊀D U R A O L M P ,T A V A R E SJ M R S ,A L B U ＧQ U E R Q U E lV H CD ,e t a l ．D a m a geE v a l u a t i o no f D r i l l e dC a r b o n /E p o x y La m i n a t e s B a s e d o nA r e aA s Ｇs e s s m e n tM e t h o d s [J ]．C o m p o s i t eS t r u c t u r e s ,２０１３,９６(４):５７６Ｇ５８３．[４]㊀K O U R R A N ,WA R N E T TJM ,A T T R I D G EA ,e ta l ．M e t r o l o g i c a lS t u d y o fC F R P D r i l l e d H o l e sw i t h X Ｇr a y C o m p u t e d T o m o g r a p h y [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ,２０１５,７８(９/１２):２０２５Ｇ２０３５．[５]㊀T S A O C C ,HO C H E N G H．C o m pu t e r i z e dT o m o Ｇg r a p h y a n d C Ｇs c a nf o r M e a s u r i n g D e l a m i n a t i o ni n t h eD r i l l i n g o fC o m p o s i t e M a t e r i a l s U s i n g V a r i o u s D r i l l s [J ]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M a c h i n e T o o l sa n d M a n u f a c t u r e ,２００５,４５(１１):１２８２Ｇ１２８７．[６]㊀魏莹莹,安庆龙,蔡晓江,等．碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法[J ]．航空学报,２０１６,３７(１１):３５１２Ｇ３５１９．W E IY i n g y i n g ,A N Q i n g l o n g ,C A I X i a o j i a n g,e t a l ．D e t e c t i o na n d E v a l u a t i o no fL a ye r e d C a r b o n F i b e r C o m p o s i t e sb y U l t r a s o n i cS c a n n i n g [J ]．A c t aA e r o Ｇn a u t i c a e tA s t r o n a u t i c aS i n i c a ,２０１６,３７(１１):３５１２Ｇ３５１９．[７]㊀方周倩,苗沛源,金肖克,等．碳纤维复合材料孔洞损伤超声波C 扫描无损检测[J ]．纺织学报,２０２２,４３(１０):７１Ｇ７６．F A N GZ h o u q i a n ,M I A O P e i y u a n ,J I N X i a o k e ,e t a l ．C a r b o nF i b e rC o m p o s i t e M a t e r i a lH o l eD a m a g e U l t r a s o n i c C S c a n N o n d e s t r u c t i v e D e t e c t i o n [J ]．J o u r n a l o fT e x t i l e ,L a n c e t ,２０２２(１０):７１Ｇ７６．[８]㊀李刚卿,周庆祥,张晓丹,等．C F R P 层压板的超声检测[J ]．无损检测,２０２１,４３(１２):３２Ｇ３６．L I G a n g q i n g ,Z HO U Q i n g x i a n g ,Z HA N G X i a o Ｇd a n ,e ta l ．U l t r a s o n i cT e s t i n g o fC F R P L a m i n a t e s [J ]．N o n d e s t r u c t i v eT e s t i n g,２０１,４３(１２):３２Ｇ３６．[９]㊀朱萍玉,李永敬,孙孝鹏,等．纤维增强复合材料制孔分层缺陷检测与评价技术研究进展[J ]．中国测试,２０１８,４４(１):１Ｇ８．Z HU P i n g y u ,L IY o n g j i n g ,S U N X i a o p e n g ,e t a l ．R e s e a r c hP r o gr e s s o fD e l a m i n a t i o nD e f e c tD e t e c t i o n a n d E v a l u a t i o n T e c h n o l o g y f o r F i b e r R e i n f o r c e d C o m p o s i t e s [J ]．C h i n aJ o u r n a l o fT e s t i n g an d T e s Ｇt i n g,２０１８,４４(１):１Ｇ８．[１０]㊀C H E N W C ．S o m eE x p e r i m e n t a l I n v e s t i ga t i o n s i n t h e D r i l l i n g o f C a rb o n F i b e r Ｇr e i n f o rc ed P l a s t i c (C F R P )C o m po s i t e L a m i n a t e s [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM a c h i n eT o o l s&M a n u f a c t u r e ,１９９７,３７(８):１０９７Ｇ１１０８．[１１]㊀F A R A Z A ,B I E R MA N N D ,W E I N E R T K．C u t Ｇt i n g E d g e r o u n d i n g :a n I n n o v a t i v eT o o lW e a rC r i t e Ｇr i o ni n D r i l l i n g C F R P C o m po s i t e L a m i n a t e s [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo f M a c h i n eT o o l s &M a n u Ｇf a c t u r e ,２００９,４９(１５):１１８５Ｇ１１９６．(编辑㊀王艳丽)作者简介:杨㊀亮,男,１９９２年生,硕士研究生.研究方向为材料无损检测与评价.E Ｇm a i l :l y a n g ＠i m r ．a c ．c n .蔡桂喜(通信作者),男,１９６５年生,研究员.研究方向为无损检测与评价.发表论文３０余篇.E Ｇm a i l :gx c a i ＠i m r ．a c ．c n .２３３２ 中国机械工程第３４卷第１９期２０２３年１０月上半月Copyright ©博看网. 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碳纤维复合材料的无损检测技术探讨碳纤维复合材料在投入使用前和使用中出现结构损伤是无法避免，以下是一篇关于碳纤维复合材料的无损检测技术探讨的毕业论文范文，欢迎阅读参考。

随着当今科学技术的告诉发展，对材料的要求越来越高，由单一物质构成的材料已经无法满足人们的要求，因此由两种及两种以上的物质构成的复合材料逐渐成为当今人们关注的焦点，并在各个行业展现出了不可估量的发展前景。

在大力提倡智能环保的今天，开发高*能、高附加值的复合材料成为复合材料发展的必然趋势，碳纤维复合材料作是一种先进复合材料，对其研究不可忽视。

1、碳纤维复合材料碳纤维复合材料是由两种或两种以上不同元素、不同形装、不同*质的物质复合形成的新型材料。

各种物质在*质和功能上能够互相补充互相弥补，增强物质的功能和效应，使碳纤维复合材料的总体功能和*质比组成物质优越，并且能够满足各种不同的场合和场所的要求。

碳纤维复合材料在*事领域的应用有导*发动机的壳体、民兵系列发动机的喷管扩张段等，国外先进战略、战术固体火箭发动机等方面都有较多的应用，是因其较高的比强度、比模量。

碳纤维复合材料除了在*事领域有应用外，在民用领域也有很多应用，如飞机的外壳构件、动车组的刹车系统、汽车的复合材料结构件、汽车的高*能碳纤维轴承、渔杆、滑雪板、球拍等。

由于碳纤维生产成本的逐步下降和生产规模的扩大，其应用也必将迅速扩大，如新型电极材料、增强混凝土、新型取暖装置乃至日常生活用品等方面。

同时对其质量和*能的要求也会提高。

2、无损检测所谓无损检测，就是在不破坏被检测物质原来的形状和大小、不改变被检测物质的*质和功能的基础上，对物质的结构和功能进行检测，并能够保*被检测物质的可靠*和安全*的检测技术。

该技术是利用声、光、热、电、磁等对物质内部结构、存在的缺陷、造成的损伤和物质的质量等进行检测，并达到对物质的判断和评价。

3、无损检测技术在碳纤维复合材料检测中的应用碳纤维复合材料在生产工艺过程中，碳纤维复合材料在生产制造和使用过程中之所以存在缺陷和遭受损伤，是由于受到碳纤维的形状和大小不规则、制作过程中的化学反应速率、各种元素的占有量、结合用的树脂的用量和粘度等的影响。

碳纤维复合材料的无损检测方法探讨作者：肖亚楠来源：《科技风》2017年第09期摘要：无损检测是一种先进的、科技含量较高的检测技术，不会对被检测物质的外观和性能造成任何不利影响，最大限度的保证了被检测物质结构和功能的完整，且检测精度高，检测结果十分可靠，现已广泛的应用到各行各业之中。

本文将对无损检测技术加以简介，并论述无损检测技术在碳纤维复合材料中的应用优势以及几种较为常用的无损检测方法，以期实现无损检测技术的迅速推广，促使无损检测在碳纤维复合材料检测工作中能够真正的发挥实效。

关键词：碳纤维复合材料；无损检测；方法；应用碳纤维复合材料是由两种及以上物质组成的新型材料，其强度高，稳定性好，功能齐全，能够很好的满足军事领域和民用领域的应用需求。

随着人们生活水平的提高，对生活环境也提出了更高的要求，碳纤维复合材料具有其他材料无法比拟的巨大优势，因此其发展前景无疑将会非常的广阔。

为了进一步提高材料性能，使碳纤维复合材料的效用得到最大化的发挥，在碳纤维复合材料中应用无损检测技术是十分必要的。

一、无损检测技术简介传统的检测技术大多具有破坏性，在检测工作完成后被测物质的外观或性能或多或少的会受到一定的影响，因此大多数检测技术都只能针对物质的某个形态或用途进行检验，这为检测工作增加了难度，同时也限制了检测技术的发展。

无损检测技术指的是在不破坏被测物质结构和性能的情况下，利用物质的内部缺陷对其进行检验的方法，通常需要借助物理仪器和设备，以便精确观察物质在接触热、光、磁时发生的变化。

无损检测技术具有动态性、实时性、兼容性的特征，所得的检测结果非常准确，基本上能够满足大多数物质的检测需求。

一般来说，无损检测技术具有以下三个特点：首先是非破坏性，指的是在采用无损检测技术时不会破坏被测物质的内部结构和性能，最大限度的保证了物质的完整性；其次是全面性，无损检测技术的检测范围广泛，可以用于对物质的全面检测；最后是全程性，无论被检测物质是原料、半成品、成品，或者是加工前、加工中、加工后都可以进行检测。

任务书I、题目：碳纤维复合材料涡流检测方法研究II、使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1、原始资料：碳纤维复合材料若干；涡流检测设备一套；计算机2、毕设要求：（1）查找并掌握碳纤维复合材料多向的结构特性和电各向异性等相关资料；（2）掌握涡流检测的基本原理、趋肤效应、提离效应、常规检测工艺；（3）探索并设计针对碳纤维复合材料低电导率且电导率各个方向不同的特点的涡流检测工艺，尝试对其常见缺陷进行定量、定性的分析；（4）对预埋或已知缺陷的碳纤维复合材料涡流检测实验，通过数据处理与分析检验设计工艺；（5）实验结果分析及毕业论文撰写。

III、工作内容及完成时间：1、熟悉碳纤维复合材料的结构特点及电磁特性； 03.09－03.202、检测方法及检测工艺的确定； 03.21－04.153、检测信号的分析及处理； 04.16－04.304、缺陷的定性及定量方法研究； 05.04－05.155、实验验证检测结果分析； 05.16－05.316、撰写相关技术报告。

06.01－06.26Ⅳ、主要参考资料：[1]孙磊. 碳纤维增强树脂基复合材料涡流无损检测有限元分析[D]. 厦门大学, 2014.[2]杨玉娥,张文习. 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),2015,06:471-476.[3]李威,郭权锋. 碳纤维复合材料在航天领域的应用[J]. 中国光用,2010,04:1-4+24.[6]张晓燕. 碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究[D].首都师范大学,2008.[7]张毅. 碳/碳复合材料无损检测技术实验研究[D].清华大学,2012.[9]Qi ZHANG, Qiang GAO, Jin CAI Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, V ol.24 (1)碳纤维复合材料涡流检测方法研究摘要：碳纤维复合材料由于其诸多的优越性能尤其是高比模量、高比强度在各个的领域受到越来越多的关注，特别是航空航天领域。