碳纤维复合材料孔隙率的超声评价方法研究

论文摘要

碳纤维复合材料性能优越、成本较低，在航空、航天、汽车制造、核能等重要领域的应用越来越广泛，由于制备工艺、环境等原因，在碳纤维复合材料中或多或少存在一定数量的微小孔隙，然而微观孔隙的大小及分布特征对构件的力学性能有重大影响，其使用寿命大大降低。因此，为保证复合材料的安全使用，急需对其孔隙含量（孔隙率）进行可靠和准确的无损评价。非线性超声检测技术是超声无损检测领域的研究前沿，其技术特点为碳纤维复合材料中孔隙含量的检测提供一种新的方法。结合实际需要和国内外研究现状，本文以热压成型的碳纤维单向增强复合材料为检测对象，利用超声衰减法和非线性超声检测方法对三种孔隙含量不同的试样进行了实验，提取超声检测的特征参量，实现对碳纤维复合材料孔隙率大小的表征。首先，基于传统超声检测理论，采用超声脉冲回波反射法，对碳纤维复合材料孔隙率区域进行超声信号采集和处理，从而提取超声衰减系数。其次，从非线性超声波动理论出发，介绍了重要的超声非线性效应。在此基础上讨论了超声非线性参数和检测目标的关系，指出超声非线性参数可以作为评价碳纤维复合材料孔隙率大小的特征参数。然后，根据碳纤维复合材料超声非线性响应的信号特点，基于有限振幅非线性超声检测方法，完成了非线性超声检测实验系统的设计，并对检测系统的性能进行了验证，从而保证检测结果的可靠和有效性。最后，应用建立的非线性超声检测实验系统，对碳纤维复合材料试样进行了检测实验。实验结果表明，超声非线性系数能够表征复合材料孔隙率的大小，为复合材料孔隙率测量的非线性超声无损检测指明了发展方向。与传统衰减法超声检测技术比较，非线性超声检测技术灵敏度更高，能够得到更多有效检测信息。因此，本文对非线性超声检测技术开展实验与理论研究，探寻其传播规律、演化特征，完善该项实验技术有着重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.1.1 碳纤维复合材料
• 1.1.2 对碳纤维复合材料进行无损检测的重要意义
• 1.2 碳纤维复合材料孔隙率的检测
• 1.2.1 碳纤维复合材料及孔隙率定义
• 1.2.2 孔隙率大小对复合材料性能的影响
• 1.2.3 碳纤维复合材料孔隙率检测的方法
• 1.3 超声无损检测技术
• 1.3.1 超声信号处理技术
• 1.3.2 非线性超声检测技术
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 复合材料孔隙率超声衰减法的研究
• 2.1 超声无损检测的基本理论
• 2.1.1 声速
• 2.1.2 介质特性声阻抗
• 2.2 碳纤维复合材料孔隙率超声衰减法的研究现状
• 2.2.1 超声波衰减的基本理论
• 2.2.2 超声衰减模型的建立
• 2.3 超声衰减法的实验原理
• 2.3.1 超声波衰减系数的测量
• 2.3.2 超声反射系数的测量
• 2.3.3 衰减系数与孔隙率之间的关系
• 2.4 实验系统与试样的制备
• 2.4.1 实验测量系统
• 2.4.2 试样的制备
• 2.5 衰减系数的测量
• 2.5.1 实验结构框图
• 2.5.2 超声衰减实验观察
• 2.5.3 超声衰减法测量结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 非线性弹性波的基本理论
• 3.1 非线性声学基本方程
• 3.1.1 非线性波动方程
• 3.1.2 非线性一维波动方程及其解
• 3.2 非线性效应的表现形式
• 3.2.1 非线性参量与非线性系数
• 3.2.2 波形畸变及谐波滋生
• 3.2.3 附加衰减
• 3.3 固体中的非线性效应
• 3.4 检测对象的非线性参数
• 3.5 本章小结
• 第4章 非线性超声检测方法和实验系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 非线性超声无损检测的基本要求
• 4.3 非线性超声检测方法和特征参数的选取
• 4.3.1 现有的非线性超声检测方法
• 4.3.2 本文采用的非线性超声检测方法和特征参数
• 4.4 非线性超声检测系统的方案设计
• 4.4.1 实验系统的性能指标要求
• 4.4.2 非线性超声检测系统的影响因素和设计原则
• 4.4.3 实验系统的原理框图
• 4.4.4 换能器的选择
• 4.5 实验系统的验证
• 4.5.1 系统线性的标定
• 4.6 实验系统的结构特点和性能特点
• 4.7 本章小结
• 第5章 非线性超声实验研究
• 5.1 非线性超声实验方法
• 5.1.1 激励信号
• 5.1.2 铌酸锂晶片的频率响应
• 5.1.3 接收换能器的频率响应
• 5.1.4 信号处理
• 5.2 非线性超声实验观察
• 5.2.1 宽带接收方式下的非线性效应
• 5.2.2 非线性效应与激励电压变化的关系
• 5.3 碳纤维复合材料孔隙率的非线性超声检测实验
• 5.4 非线性超声检测方法与超声衰减法实验结果的对比
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间论文
• 致谢