CN105738382A - 碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，通过引入碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷所形成的三维分层体积，建立三维体积分层因子F_V作为更准确地描述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔过程中分层缺陷的评价指标，并利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板的制孔周围的分层缺陷，计算获得采用所述三维体积分层因子F_V进行评价的所述被检测碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价值。本发明解决了对CFRP单向层合板制孔分层缺陷难以全面检测和评价的技术问题，使得到的三维体积分层因子评价值能够更贴近CFRP单向层合板分层缺陷的实际情况，为CFRP单向层合板制孔加工质量的检测、质量控制和参数优化提供了更准确的测量评价手段。

Description

碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法

技术领域

本发明涉及的是一种碳纤维增强复合材料孔加工缺陷的检测，具体涉及的是一种基于高频率超声扫描显微镜(ScanningAcousticMicroscope，简称SAM)检测技术的三维分层因子表征的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP)的制孔加工是广泛应用的机加工工艺之一。制孔加工质量研究是碳纤维增强复合材料切削加工应用研究的核心。碳纤维增强复合材料单向层合板制孔缺陷的主要类型包括：分层、毛刺和撕裂。在诸多加工缺陷中，分层缺陷是指碳纤维增强复合材料单向层合板加工过程中发生在材料内部的层间结合失效，其被公认为是对制孔质量有致命影响的一种缺陷。

作为碳纤维增强复合材料单向层合板制孔加工中最致命的一种缺陷，分层缺陷的准确检测和描述是制孔质量评价所必须研究的内容，也是碳纤维增强复合材料单向层合板高效、低缺陷孔加工工艺研究的基础。

由于发生在碳纤维增强复合材料层合板内部的层与层之间，分层缺陷的准确测量比较困难。请参阅图1，发生在孔钻削入口处的分层缺陷称为剥起分层(Peel-updelamination)，请参阅图2，发生在孔钻削出口处的分层缺陷称为推离分层(Push-outdelamination)，进、出口两种分层缺陷并不容易被直接观察和检测；而尤其当分层缺陷发生于更靠近材料的内部时，即使将孔进行剖切也不易找到分层缺陷的位置并进行准确测量。另外，分层缺陷在生产中要求的控制精度较高，一般要求至少可以实现亚微米级别的微小分层检测。针对碳纤维增强复合材料单向层合板分层缺陷的检测要求为：(1)无损探测，以不破坏成型之后的碳纤维增强复合材料的结构件；(2)有一定穿透深度，从而可以检测表面层以及碳纤维增强复合材料层合板内部一定范围内的分层空隙；(3)分辨率和精度高，要求分辨率达到微米级、精度5μm以上。

目前，对CFRP分层缺陷进行评价常用的检测方法主要有：(1)光学检测：大多数研究者都是利用光学照片来得到表面层材料的分层情况，但是这种方法一方面对分层缺陷的评价精度有限，另一方面未能考虑层合板内部的分层情况；(2)渗透检测：还有研究者采用渗透检测再结合射线检测的方法，即在孔的周围涂二碘钾烷或四溴已烷，然后利用X射线探伤拍摄分层情况的照片，但这种方法仍然不能检测材料中间每一层的分层情况；(3)超声C扫描探伤检测：也是常用碳纤维增强复合材料的无损检测方法之一，由于常用的超声C扫描设备的频率有限，直接导致其精度也较为有限(常用的分辨率为0.2mm)，一般只能用于CFRP材料制备过程中大缺陷的定位和检测，而对于微小分层缺陷的检测能力不足；(4)工业CT检测：CT即计算机断层扫描，直接用射线扫描断面，得到该断面的孤立成像，不受其他断层的影响，但CT检测存在伪像现像，不但影响检测判断，而且成本也较高；(5)红外热波检测：利用具有缺陷的工件在热性能上的变化，用变化性热源来获得被检测材料的均匀性信息及表面下的结构及热属性特征，然而缺点是深度方向检测能力较差，热传导之后会使缺陷的边缘扩大和模糊。

制孔分层缺陷的量化评价目前已经有了几个通用的指标：(1)直径分层因子F_d：简称分层因子，取最大分层直径与孔的公称直径的比值作为衡量分层缺陷的标准。直径分层因子F_d是一种比较简单直接的评价指标，但仅是一种一维的评价指标，在评价某些特定的分层情形时并不合适，比如有些分层缺陷发生时只有一小束纤维发生了长度较长的分层剥离，在整个孔径的其他区域却没有发生明显的分层剥离，在此种情况下，采用直径分层因子F_d评价分层缺陷是不合理的。(2)面积分层因子F_a：也叫做二维分层因子，其考虑了发生在孔周围的分层剥离分布极不均匀的情况，将分层剥离的实际面积代入计算分层因子F_a的公式，用分层的实际面积与孔的公称面积的比值评价分层缺陷。(3)修正分层因子：是另外一种综合考虑了一维分层和二维分层特征的评价方法，该方法引入了两个权重系数α和β，分别作为一维直径分层因子F_d的权重和二维面积分层因子F_a的权重，修正分层因子为直径分层因子F_d和面积分层因子F_a分别以α和β为权数的加权平均值。修正分层因子充分考虑了一维、二维两种不同情况的分层缺陷评价，尽管如此，由于分层缺陷不仅发生在纤维增强复合材料层合板最外侧一层，而且分层缺陷极容易隔层传播形成多层分层缺陷，因此修正分层因子评价方式依然有其局限性。

因此有必要建立三维体积分层因子，根据检测到的纤维增强复合材料层合板制孔分层缺陷面积，通过引入多层分层缺陷所形成的三维分层体积指标来更准确地描述制孔加工中的分层缺陷。此处，采用高频率的超声扫描显微镜系统来得到纤维增强复合材料层合板的分层缺陷面积。高频超声扫描显微镜(ScanningAcousticMicroscope，简称SAM)是一种达到显微镜级别的超声扫描探伤方式，一般采用频率百兆级的超声波，理论上分辨率可达到纳米级。超声扫描无损检测的原理如下：由传感器产生特定频率(5MHz～2GHz)的超声波脉冲，通过耦合介质(如去离子水酒精等)到达样品；由于超声能量的传递要求介质是连续的，所以如气孔、杂质、分层裂纹等不连续界面都会干扰超声信号传播或导致超声信号发生反射；当脉冲通过样品的时候，由于声阻的不同，在有缺陷或粘结不良的界面会出现反射波，通过安装有超声波换能器的扫描轴，即可以对待测样品进行高速扫描，以得到一张高分辨率的超声波图像；通过图像识别技术可以得到待测样品的分层缺陷的面积。

经过现有文献检索，未发现建立基于高频超声扫描显微镜技术的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔分层缺陷的三维体积分层因子评价方法的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中测量手段的局限以及评价指标直径分层因子F_d(一维)和面积分层因子F_a(二维)的不足，提供一种基于SAM的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，通过引入多层分层缺陷所形成的三维分层体积，建立能够更准确描述制孔加工中分层缺陷的三维体积分层因子，通过高频超声扫描显微镜对分层缺陷进行扫描，更精确地完成碳纤维增强复合材料单向层合板制孔分层缺陷的质量检测和评价。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，通过引入碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷所形成的三维分层体积，建立三维体积分层因子F_V作为更准确地描述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔过程中分层缺陷的评价指标，并利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板的制孔周围的分层缺陷，计算获得采用所述三维体积分层因子F_V进行评价的所述被检测碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价值。

进一步地，所述的三维体积分层因子F_V为：

$F_V=\frac{1}{N}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_{del}^n}{A_{norm}}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a^n---6)$

其中，n为分层缺陷所在的层数，n＝1，2，3…，N为碳纤维增强复合材料单向层合板的总层数，为第n层的面积分层因子，为第n层的分层面积，A_norm是孔的公称面积：

$A_{norm}=\mathrm{\π}\frac{D_{norm}^2}{4}---5)$

其中，D_norm为孔的公称直径。

进一步地，所述分层缺陷评价方法包括以下步骤：

第一步，标定在被检测碳纤维增强复合材料单向层合板中超声波的传播速度；

第二步，利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板的孔周围的分层缺陷；

第三步，获得每层上分层缺陷超声扫描图像的分层面积n＝1，2，3…；

第四步，运用公式5)计算孔的公称面积A_norm，求得每层的面积分层因子n＝1，2，3…；

第五步，运用公式6)计算获得被测碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的三维体积分层因子F_V的值。

本发明的另一技术方案如下：

一种上述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法在碳纤维增强复合材料单向层合板制孔加工质量的检测、质量控制和工艺参数优化方面的应用。

本发明的有益效果是：

本发明解决了对碳纤维增强复合材料单向层合板制孔分层缺陷难以全面检测和评价的技术问题，与现有的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔分层缺陷的评价指标相比，本发明提出的三维体积分层因子更能够全面地反映多层材料分层的情况，再结合高频超声扫描显微镜对分层缺陷进行的扫描，获得每一层分层缺陷超声扫描图像的分层面积，求得每层的面积分层因子，从而使得到的三维体积分层因子评价值能够更贴近碳纤维增强复合材料单向层合板制孔加工分层缺陷的实际情况，因此本发明为碳纤维增强复合材料单向层合板制孔加工质量的检测、质量控制和参数优化提供了更准确的测量评价手段。

附图说明

图1为碳纤维增强复合材料单向层合板孔钻削加工时的入口分层缺陷示意图。

图2为碳纤维增强复合材料单向层合板孔钻削加工时的出口分层缺陷示意图。

图3为高频超声扫描显微镜(SAM)C模式下得到的碳纤维增强复合材料单向层合板内部的分层缺陷扫描图，高反射的亮白区域为分层缺陷形成的材料内部空隙。

图4为直径分层因子F_d和面积分层因子F_a定义中最大分层直径及实际分层面积示意图。

图5为实施例中碳纤维增强复合材料单向层合板分层缺陷的高频超声扫描显微镜检测结果示意图。

具体实施方式

本发明所述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法利用高频超声扫描显微镜技术测量各层碳纤维增强复合材料单向层合板制孔分层缺陷的面积，通过计算发生分层的实际总体积与孔的公称圆柱体积，得到三维体积分层因子，从而得到制孔分层缺陷，尤其是多层分层缺陷的量化评价。

所述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法通过引入碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷所形成的三维分层体积，建立三维体积分层因子F_V作为更准确地描述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔过程中分层缺陷的评价指标，并利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板的制孔周围的分层缺陷，计算获得采用所述三维体积分层因子F_V进行评价的所述被检测碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价值。

本发明所述三维体积分层因子F_V由以下过程得到：

所述三维体积分层因子F_V为分层缺陷实际的分层体积与孔的公称体积的比值：

$F_V=\frac{V_{del}}{V_{norm}}---\left(1\right)$

其中，V_del为分层缺陷发生分层的实际总体积，V_norm为孔的公称圆柱体积。

对式(1)进行展开，

$F_V=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{del}^n}{{\mathrm{Nt}}_p{A}_{norm}}---\left(2\right)$

其中，n为分层缺陷所在的层数，N为碳纤维增强复合材料单向层合板的总层数，为第n层的分层体积，t_p为单层碳纤维增强复合材料的厚度，A_nom是孔的公称面积。

$V_{del}^n=A_{del}^n{t}_p---\left(3\right)$

其中，为第n层的分层缺陷分层面积。

另外，面积分层因子F_a表示为：

$F_a=\frac{A_{del}}{A_{norm}}---\left(4\right)$

其中，A_del是实际分层面积，A_norm是孔的公称面积，并有：

$A_{norm}=\mathrm{\π}\frac{D_{norm}^2}{4}---\left(5\right)$

将式(3)和(4)代入(2)中，即可得到：

$F_V=\frac{1}{N}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{A_{del}^n}{A_{norm}}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a^n---\left(6\right)$

其中，为第n层的面积分层因子。

式(6)的三维体积分层因子F_V充分考虑了多层材料分层时对碳纤维增强复合材料结构件强度的累积影响，即三维体积分层因子更全面考虑了多层材料分层的情况。

本发明包括以下步骤：

第一步，标定在被检测碳纤维增强复合材料单向层合板中超声波的传播速度；利用高频超声扫描显微镜测量超声波在与工件材料和铺层方向均相同的被检测碳纤维增强复合材料单向层合板中的传播速度。

第二步，利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板孔周围的分层缺陷；高频超声扫描显微镜需要工作在C扫描模式下，耦合介质可以选用去离子水、酒精等；分层缺陷扫描图见附图3。

第三步，求出每层的分层缺陷高频超声扫描图像的面积(n＝1，2，3…)；通常，利用超声扫描显微镜系统自带的图像处理软件即可求取分层缺陷扫描图像面积。

第四步，运用公式5)计算孔的公称面积A_norm，再求得每层面积分层因子(n＝1，2，3…)，见附图4，将第三步求得的每层分层缺陷扫描图像面积分别代入公式(4)中即可。

第五步，求出三维体积分层因子F_V；将第四步中求得的每层面积分层因子(n＝1，2，3…)代入公式(6)即可。

以下结合附图对本发明的实施例进一步描述：本实施例在本发明技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例选用的碳纤维增强复合材料单向层合板为T800/X850单向层合板，每层铺层厚度为0.2mm；在试验样板上钻削加工4个样本孔，孔径为4mm；对每个孔利用高频超声扫描显微镜检测1～3层深度的分层缺陷，被检测孔从左至右依次为#1～#4孔，见图5。

第一步，标定在被检测碳纤维增强复合材料单向层合板中超声波的传播速度；利用高频超声扫描显微镜测量超声波在T800/X850单向层合板中的传播速度。

第二步，利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板孔周围的分层缺陷；高频超声扫描显微镜需要工作在C扫描模式下，耦合介质选用去离子水；扫描结果如图5所示。

第三步，求出每层分层缺陷高频超声扫描图像的面积(n＝1，2，3…)；利用超声扫描显微镜系统自带的图像处理软件即可求取分层缺陷扫描图像面积。

第四步，运用公式5)计算孔的公称面积A_norm，求得每层面积分层因子(n＝1，2，3…)；将第三步求得的每层分层缺陷扫描图像面积分别代入公式(4)中即可。

第五步，求出三维体积分层因子F_V；将第四步中求得的每层面积分层因子(n＝1，2，3…)代入公式(6)即可。

下列表1给出了应用直径分层因子F_d、面积分层因子F_a和三维体积分层因子F_V评价方法得到的结果。通过对比可以发现，采用一维分层因子F_d得到的分层缺陷从小到大为#2>#1>#3>#4；采用三维体积分层因子F_V得到的分层缺陷从小到大为#2>#1>#3>#4，且其中#1和#3的F_V区别明显。即在T800/X850单向层合板的制孔过程中出现多层分层缺陷之后，采用三维体积分层因子F_V能得到更准确的分层缺陷评价。

表1T800/X850单向层合板制孔分层缺陷不同评价方法对比

Claims (4)

1.一种碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，其特征在于，所述分层缺陷评价方法通过引入碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷所形成的三维分层体积，建立三维体积分层因子F_V作为更准确地描述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔过程中分层缺陷的评价指标，并利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板的制孔周围的分层缺陷，计算获得采用所述三维体积分层因子F_V进行评价的所述被检测碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价值。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，其特征在于，所述的三维体积分层因子F_V为：

$F_V=\frac{1}{N}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{A_{del}^n}{A_{norm}}\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{F}_a^n---6)$

其中，n为分层缺陷所在的层数，n＝1，2，3…，N为碳纤维增强复合材料单向层合板的总层数，为第n层的面积分层因子，为第n层的分层面积，A_norm是孔的公称面积：

$A_{norm}=\mathrm{\π}\frac{D_{norm}^2}{4}---5)$

其中，D_norm为孔的公称直径。

3.根据权利要求2所述的碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法，其特征在于，所述分层缺陷评价方法包括以下步骤：

第一步，标定在被检测碳纤维增强复合材料单向层合板中超声波的传播速度；

第二步，利用高频超声扫描显微镜逐层扫描被检测碳纤维增强复合材料单向层合板的孔周围的分层缺陷；

第三步，获得每层上分层缺陷超声扫描图像的分层面积n＝1，2，3…；

第四步，运用公式5)计算孔的公称面积A_norm，求得每层的面积分层因子n＝1，2，3…；

第五步，运用公式6)计算获得被测碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的三维体积分层因子F_V的值。

4.一种权利要求1所述碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法在碳纤维增强复合材料单向层合板制孔加工质量的检测、质量控制和工艺参数优化方面的应用。