复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究

'复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究 第2期302011年6月纤维复合材料FIBERCoMPoSITESNo.2Jun.,2011材料研究复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究唐桂云,王云飞,于柏峰(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨150036)摘要本文以厚壁碳纤维复合材料为面板,硬质聚氨酯泡沫为芯材制造复合材料泡沫夹层结构,模拟实际生产过程中容易出现的面板与芯材之间界面的脱粘和界面胶层过厚的现象,采用人工制造试块的方法,研究了超声波探伤对夹层复合材料缺陷的评定方法,解决了实际检测过程中的疑问,为夹层复合材料结构产品的质量检验提供依据.得出了粘接良好区胶层过厚不会被判定为脱粘的结论.关键词复合材料;泡沫夹层结构;声阻抗;脱粘;超声波探伤ResearchontheEvaluationMethodofDefectsforCompositeFoamSandwichesTANGGuiyun.WANGYunfei,YUBaifeng(HarbinFRPInstitute,Harbin150036)ABSTRACTThepotentialdebondandthethickerinterfacialbondinglayerbetweenthepanelandthecoreduringthepracticalprocessingweresimulatedforthefoamsandwichstructureswiththickcarbonfiberpanelsandrigidpolyurethanefoamcore.Usingtheman—madedefectmethod.theevaluatingmethodofsandwichcompositedefectswasresearchedwithultrasonictesting.whichsolvedtheproblemsinthepracticaltestingprocessandprovidedtheevidenceforthequalitytes—tingofsandwichcompositestructures.Theconclusionsweregotthatthethickerbondinglayersinthebetteradhesiveareawillnotbecons ideredasthedebonding.KEYWORDScomposites;foamsandwichstructure;soundresistance;debonding;ultrasonictesting1引言泡沫夹层结构是复合材料应用的一种重要形式,它至少由三层材料构成,即在两块强度和弹性模量较大的面层材料中间(称作面板或蒙皮)夹着厚而轻的芯层材料(称作芯子),组成一个结构整体,使两个蒙皮保持一定距离,从而增大蒙皮截面的惯性距,这样既提高了结构的弯曲刚度,又充分利用了材料刚度.夹层结构的面层材料选用各种纤维(如玻璃纤维,芳纶纤维,碳纤维)作增强材料的复合材料层板.夹层结构的芯材选用体积重量小,有相当的压缩强度及剪切强度,芯材的材料一般选用聚氨酯硬脂泡沫塑料.泡沫夹层结构的优点在于强度重量比高,承载大,疲劳性能好,有较高的声振疲劳极限,隔热隔音性能突出,并且大大提高了结构刚度.目前在航空航天和建筑等领域得到大量的应用.但泡沫夹层复合材料在制造和服役过程中容易形成缺陷,所以面板与芯材间要有足够的胶接强度,以承受剪切与拉伸应力.因此对夹层结构产品进行无损检测是十分重要的.泡沫夹层结构件在制造和使用过程中常见的缺陷为:1)复合材料面板的缺陷:如划伤,分层,夹杂,气孔等.2)复合材料面板和泡沫夹芯材的粘接缺陷:如脱粘.3)泡沫芯的损坏.针对这些缺陷,相应地发展起了多种无损检测方法.不过,因聚氨酯泡沫夹层结构的面板较厚,复合材料又是吸声材料,而且呈现低的导热性和导电性,泡沫材料的声衰减较大,所以,其与一般复合材料的无损检测具有明显差别.超声脉冲反射法是适用于复合材料泡沫夹芯结构且操作简单的无损检测方法之一.2期唐桂云,等:复合材料泡沫夹层结构的缺陷评定方法研究本文以厚壁纤维复合材料为面板,硬质聚氨酯泡沫为芯材,针对产品制造过程中容易出现的缺陷及影响因素制作人工缺陷试块,来研究可能影响探伤结果评定的因素.因复合材料和聚氨酯泡沫的声阻抗不同,会产生界面波,超声检测方法中声波的传输常受到由于胶层厚度引起的干扰而影响检测结果.如粘接胶层过厚,可能会产生较高的界面波,在实际检测过程中,以复合材料面板作为对比试块,来界定缺陷产生的部位,确定缺陷的类型,如波形出现在复合材料面板和泡沫的界面上,也就是界面波是否会影响缺陷的判定.针对这一问题,制作了人工缺陷试块,以验证影响程度.2实验2.1材料8mm厚碳纤维复合材料板,50mm厚硬质聚氨酯泡沫板,环氧树脂体系.2.2试件1样试件:面板与泡沫粘接良好;2#试件:在面板与泡沫间放置20mm×20mm双层聚四氟乙烯薄膜后再粘接,放置聚四氟乙烯薄膜处不涂胶;3#试件:粘接时胶层厚度加厚.2.3仪器及探头的选择由于碳纤维面板较厚,复合材料和聚氨酯泡沫又都属于高吸声材料,所以必须使用发射能量强的仪器,采用美国GE公司生产的KKUSD15型超声探伤仪.探头则要求频率低,同时结合验收标准,选用频率2.25MHz,晶片直径为0.5英寸的进口直探头.2.4耦合剂的选择碳纤维复合材料构件超声波探伤一般不使用油脂耦合剂.因为油脂耦合剂会给碳纤维复合材料造成污染,影响后面某些工序的加工,所以我们采用甘油为耦合剂.2.5探伤 灵敏度校准采用超声脉冲反射法检测,将直探头放置在与面板厚度相同,成型工艺相同的碳纤维复合材料板上,以复合材料板底面反射波高调节探伤灵敏度(波高为80%满刻度),见图1.这样就可以检测面板及面板与泡沫的粘接质量.底面回波气孔信{}反射洒7图1试块调整基准波形示意图3结果与讨论3.1检测结果3.1.1探伤结果在对1#试件进行检测时发现泡沫与面板之间的界面波很低,个别位置甚至消失(图2).证明面板与泡沫之间无异质界面,粘接良好.界面回波气孑【.信号反射波.A,llf1^图2粘接良好区域检测波形示意图在对2#试件进行检测时发现放置聚四氟乙烯薄膜处界面回波高于80%(图3).证明该处面板与泡沫之间存在异质界面.在对3#试件进行检测时发现,界面回波没有达到80%(图4).证明面板与泡沫之间无异质界面.3.1.2解剖结果对1#试件进行解剖,发现泡沫与面板间粘接良好,无脱粘现象,且胶层均匀,无过厚现象.对2#试件进行解剖,发现聚四氟乙烯薄膜与面板和泡沫之间均无粘接.对3#试件进行解剖,发现泡沫与面板间粘接良好,但胶层太厚.纤维复合材料田酊回波,rI脱|古波形…气,孔信号射波图3脱粘缺陷检测波形示意图界面回波气孔一言号反.’波6jlfI图4胶层过厚时检测波形示意图3.2缺陷与声阻抗的关系声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量.超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射情况与两种介质的声阻抗密切相关.声波在缺陷处的反射取决于缺陷介质的声阻抗,即:Z2一Zl2Z2r一～r一一一Z2+Zl’一Z2+Zl式中:r——声波反射率;——声波透射率;Z——基体声阻抗;——缺陷介质声阻抗.当界面两侧介质的声阻抗近似相等时,即Z一z,有r0;t—l.也就是说,当超声波垂直入射到有两种声阻抗相差很小的介质组成的界面时,波速几乎全透射,无反射.当z和z相差较大时,r1;t一0.也就是说,当超声波垂直入射到有两种声阻抗相差很大的介质组成的界面时,波速几乎全反射,无透射.声阻抗可理解为介质对质点振动的阻碍作用,其大小等于介质的密度与波速的乘积.复合材料的声阻抗大于聚氨酯泡沫的声阻抗,在界面处会发生部分透射,部分反射.但聚氨酯泡沫的声阻抗大于空气的声阻抗,所以反射波不会高于基准波.当胶层较厚时,会出现胶层反射,胶层的声阻抗较空气的声阻抗大,所以反射波不会高于基准波.3.3.1无缺陷试块因泡沫属于高吸声材料,超声波发射到泡沫上后一部分会被反射,另一部分会被吸收无法反射回探头,此时界面波会相对很低,所以粘接良好区域很好判定,不会造成误判.3.3.2局部脱粘试块当复合材料面板和泡沫脱粘时,这种情况和只检测面板的波形一致,由于面板和空气界面间声阻抗变化很大,因而面板界面有很强的反射能力,用对比试块做对比就可以很容易地判断.3.3.3胶层过厚试块当胶层较厚时声波传到胶层后被反射会出现反射波,会出现胶层的阻尼效应,此时的界面反射波会加强,但不会超过面板和空气的界面反射波.4结语复合材料泡沫夹层结构由于其结构的特殊性,其内部缺陷的检测尤为重要,本文针对探伤过程中可能影响检测结果判定的因素,制作人工缺陷试块来研究缺陷评定的影响因素,解决了在实际检测过程中的疑问,为日后产品的检测提供了有力的证据,得出了粘接良好区胶层过厚不会被判定为脱粘的结论.参考文献[1]翁祖祺,陈博,张长发,等.中国玻璃钢工业大全[M].北京:国防T.~lk出版辛t,1992:462—463.[2]毛江虹,张谊,王建淦,等.钛合金棒材超声探伤时底波后回波的缺陷定性分析[J].无损检测,2011,33(1):43—46.[3]程舂水.碳纤维复合材料一纸芯蜂窝构建超声波脉冲反射法的探伤实践[C]//全国无损检测大会会议论文集,2003.[4]李家伟,陈积懋.无损检测[M].北京:机械工业出版社,2006:1oo5.(收稿日期:2011—02—11)'