CN114755087A - 一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块及其制备方法。该制备方法的具体步骤包括将多块复合材料预浸料逐层铺设在模具上，并在复合材料预浸料的预定层间铺设金属片。固化成型且脱模复合材料预浸料以获得内置有金属片的复合材料试样，利用无损检测装置定位金属片的位置。沿着复合材料试样的厚度方向对该位置处的复合材料试样进行机加工以使金属片的边缘露出，然后将所述机加工后的复合材料试样放入化学腐蚀溶剂中腐蚀预定时间，并使用所述检测装置检测筛选腐蚀完全的复合材料试样以获得所述对比试块。本发明制备的试样可以模拟复合材料在机加工过程中容易出现的分层损伤，并且能够精准实现多种形貌不同深度的分层缺陷检测。

Description

一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料的无损检测技术领域，尤其涉及一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法。

背景技术

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料不仅能保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。

随着复合材料构件的制造能力不断提升，在航空航天、汽车工业、化工、纺织、机械制造和医疗器械等领域，大量以复合材料为主体的零部件逐渐替代了传统的金属材料，并得到广泛的应用。为适应实际生产需要，在组装复合材料零部件之前，常常需要对复合材料零部件进行一系列机械加工。但是，由于复合材料具有典型的多层结构，复合材料零部件在机械加工过程中，内部往往会出现分层的现象。此外，近期研究发现，复合材料结构件在机械加工过程中产生的分层会大幅降低其连接强度，成为产品安全服务的一大隐患。

因此，精确的检测复合材料的加工分层缺陷的状况十分重要。目前科技人员采用多种检测方法和设备来检测复合材料的加工分层损伤，而在这些检测中，对比试块对真实缺陷的代表性将在很大程度上影响设备的标定，从而显著的影响检测的精度。因此，有必要制造出一种能够检测复合材料加工分层缺陷的对比试块，并以此来标定检测设备并由此提供检测设备的精度，从而在后续的针对复合材料的加工过程中获得有关分层缺陷的精确检测结果。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是克服现有技术中存在的对比试块不能准确代表复合材料构件在加工时产生的分层缺陷、无法检测不同深度和不同尺寸的分层问题，提供一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法。通过该方法制备的对比试块能够精确模拟和检测复合材料在加工过程中出现的多种形貌和不同深度的分层现象，从而实现对复合材料构件加工缺陷的精准检测。

具体而言，本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法，其特点在于，该制备方法包括以下步骤：

将多块复合材料预浸料逐层铺设在模具上，并在多块复合材料预浸料的预定层间铺设金属片；

固化成型且脱模复合材料预浸料以获得内置有金属片的复合材料试样；

利用无损检测装置定位金属片在复合材料试样中的位置；

沿着复合材料试样的厚度方向对前述位置处的复合材料试样进行机加工以使金属片的边缘露出；以及

将机加工后的复合材料试样放入化学腐蚀溶剂中腐蚀预定时间，并使用前述检测装置检测筛选腐蚀完全的复合材料试样以获得对比试块。

本发明所公开的用于复合材料加工过程中产生的分层缺陷检测的对比试块的制备方法，不仅能够模拟复合材料在加工过程中出现的分层现象，还能够在复合材料层间的特定位置处留下可控形状和尺寸的空隙，从而能够精准控制模拟的分层缺陷的尺寸和位置，得以精准实现多种形貌、不同深度的分层缺陷检测，最终实现检测设备的有效标定以及相应检测方法的检测能力的有效评判。

根据本发明的一种实施方式，该制备方法还包括使用线切割设备来精加工金属片以获得具有预定尺寸和形状的金属片。通过精加工金属片获得预定尺寸和形状的金属片，能够在复合材料试样中获得期望形状和尺寸的空隙，从而能够精准控制能够检测的分层缺陷形状和尺寸，由此拓展了最终获得对比试样的可应用场景。

根据本发明的另一种实施方式，复合材料预浸料为碳纤维或者玻璃纤维增强树脂基复合材料，而且每块复合材料预浸料的尺寸大小相同。通过设置复合材料预浸料的尺寸大小相同，能够获得规整的复合材料试样，尽量地减小复合材料试样可能存在的毛刺，从而避免对于后续缺陷定位、机械加工的影响。

根据本发明的另一种实施方式，金属片为易腐蚀的金属薄片，并且其厚度被设定为不超过1毫米。金属薄片具有一定的刚性，能够保证在复合材料加热固化的过程中，不会因为压力或树脂流动产生变形，从而避免偏离分层缺陷的尺寸、形状和位置设计。此外，通过设置金属片具有易腐蚀的特性，当将机加工后的复合材料试样放入化学试剂进行腐蚀处理后，能够实现金属片的完全腐蚀溶解。而且，通过设置金属薄片厚度为微米级，腐蚀完全后的复合材料试样的层间能够形成微米级的空隙，从而实现真实分层缺陷很薄的特征的模拟。

根据本发明的另一种实施方式，金属片为铜片、铝片或者铁片。

根据本发明的另一种实施方式，无损检测装置为X射线检测装置，该X射线检测装置被配置为能够通过发射X射线定位金属片在复合材料试样中的位置。通过无损检测装置来检测金属片在复合材料试样的位置，能够快速定位待机械加工的位置，从而避免切割位置错误可能导致的复合材料试样自身缺陷，减小检测误差，提高对比试块的制备效率。

根据本发明的另一种实施方式，机加工包括钻孔和铣削。

根据本发明的另一种实施方式，化学腐蚀溶剂能够与金属片发生反应，但不与复合材料预浸料发生反应。通过化学腐蚀溶剂来腐蚀复合材料试样后，能够实现金属薄片的完全溶解而不损伤复合材料本身，从而能够在复合材料试样的特定位置处留下可控形状和尺寸的空隙，尽可能地减少形状、尺寸和位置偏差，实现检测的分层缺陷形状、尺寸和位置的精准控制。

根据本发明的另一种实施方式，化学腐蚀溶剂包括选自盐酸溶液或硝酸溶液的酸性腐蚀溶液。根据金属材料易在酸性条件下活泼的化学性质和复合材料在常温下的惰性，使用酸性腐蚀溶液来腐蚀复合材料试样，能够实现金属薄片的完全溶解而不损伤复合材料本身。

根据本发明的另一种实施方式，腐蚀完全的复合材料试样的内部具有复合材料和空气交界的界面。通过内部的复合材料和空气交界的界面，腐蚀完全的复合材料试样能够实现真实分层缺陷的复合材料和空气交界的界面的模拟。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

根据本发明上述实施方式的用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法所能实现的有益技术效果和优点在于：

根据本发明的用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法，通过先将精加工后的金属片铺贴在复合材料预浸料的预定层间，再用无损检测装置对金属片的位置进行定位，能够实现可检测的分层缺陷的形状、尺寸和位置的精准控制。而且，通过设置金属片的厚度为微米级，对比试块能够实现真实分层缺陷很薄的特征的检测。此外，使用只与金属片发生反应的化学腐蚀试剂，从而仅腐蚀溶解金属片而不损伤复合材料本身，由此，能够在特定位置处留下可控形状和尺寸的空隙，实现真实分层的复合材料和空气交界的界面的模拟。

附图说明

图1为根据本发明优选实施方式的用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法的流程图。

图2为根据图1所示制备方法中铺设金属片的步骤的示意图。

图3为铺设金属片的另一种替代方式的示意图。

图4为铺设金属片的再一种方式的示意图。

图5为具有图2所示金属片的复合材料试样在钻孔后的剖面示意图。

图6为具有图3所示金属片的复合材料试样在钻孔后的剖面示意图。

图7为具有图4所示金属片的复合材料试样在铣削后的剖面的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。

在以下的具体描述中，位置性的术语，例如“顶面”、“底面”、“上表面”等，参考附图中描述的位置使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的位置，位置性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

随着针对复合材料构件的制造能力的不断提升，在许多应用领域里都出现大量以复合材料为主体的零部件逐渐替代传统的金属材料的情况。在复合材料零部件组装之前，需要进行一系列的机械加工，例如飞机壁板的铣边和钻孔。

由于复合材料具有典型的多层结构，其在铣削加工过程中因为受到高速旋转的刀具产生的挤压，会导致层间遭到破坏而产生分层。同时，在钻孔加工时，复合材料构件会因为钻头轴向力的存在，容易在孔壁处产生分层，并向外延展。而且，最新的研究发现，机械加工过程中复合材料构件内引入的分层会大幅降低复合材料结构件的连接强度，成为产品安全服务的一大隐患。

为解决上述问题，科技人员采用多种方法检测复合材料构件的损伤，并利用不同方法制备了多种人工对比试块用以标定设备检测精度。对比试块对真实缺陷的代表性很大程度上影响设备的标定，从而影响检测精度。目前制备对比试块的常见方法主要有预埋缺陷法、激光冲击法、机械加工法和预埋缺陷拔出法，但是，每种方法均存在一定的局限性，其中：

(1)预埋缺陷法主要是通过在复合材料层中插入聚四氟乙烯等高分子聚合物薄膜来制备对比试块。名称为“用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块及方法”的专利文献CN110196287A中公开了一种通过预埋缺陷法来制备对比试块的方法，其通过在复合材料成型阶段加入圆形薄膜预埋缺陷来模拟检测复合材料件的分层。该方法可适用于制作复合材料结构件成型检测环节的对比试块，但是因为薄膜声阻抗与实际复合材料分层中空气声阻抗相差太大，所以该专利中公开的预埋缺陷法制备的对比试块无法模拟真实分层缺陷与复合材料声阻抗差，并且对比试块中没有出现复合材料和空气交界的界面，因此该种方法制备的对比试块不能代表真实加工时复合材料中产生的分层缺陷。

(2)激光冲击法利用激光在复合材料构件内部冲击出分层缺陷，并且能够通过控制表面黑色吸收层的形貌来控制复合材料件内部分层缺陷的尺寸大小。名称为“一种制备复合材料层合板预埋分层缺陷的方法”的专利文献CN110369861A中公开了一种通过激光冲击来制备对比试块的方法，其通过对复合材料层合板的两个表面依次进行激光冲击，能够形成一定形貌的分层缺陷，并且能够通过控制表面黑色吸收层的形貌来控制内部分层缺陷尺寸大小。但是通过激光冲击形成的缺陷尺寸精度难以控制，而且可能造成复合材料层的非黑色吸收层产生分层，因此无法有效控制分层缺陷在复合材料中产生的深度位置。

(3)机械加工法是通过从复合材料上表面，沿着复合材料构件的厚度方向进行机械加工的方法来制备对比试块。在名称为“复合材料层压板机加孔边缘脉冲反射法分层缺陷模拟方法”的专利文献CN103529121B中公开了通过机械加工来制备对比试块的方法，其从复合材料上表面开始向下表面方向挖槽来代表环形分层，模拟分层缺陷。但是，利用机械加工法加工出来的缺陷空气层太厚，而且加工的分层缺陷厚度较大、无法实现真实分层缺陷很薄的特点的模拟。

(4)预埋缺陷拔出法是在复合材料埋入缺陷，然后加工复合材料后，再人工拔出缺陷来制备对比试样。但是，为拔出预埋的缺陷，一般需要在缺陷上涂敷脱模剂，因而无法避免脱模剂对缺陷周围区域的影响。即使从复合材料中拔出预埋缺陷，缺陷的周围仍然会存在脱模剂，这最终会导致缺陷的实际尺寸偏离设计尺寸。

因此，本发明提供了一种新的用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法，通过在不同复合材料层间铺设易腐蚀的金属人工缺陷，再在预埋的人工缺陷处进行加工、腐蚀来模拟不同深度和尺寸的分层缺陷，进而实现复合材料的分层对比试块的制作。

本发明所提供的对比试块制备方法不仅能够解决现有方法中存在的问题，还能够精确的控制预埋的易腐蚀的金属人工缺陷的形状、尺寸和位置，从而实现多种形貌、不同深度的分层缺陷的精准检测。而且，使用根据本发明的制备方法制作的对比试块不仅能够检测微米级厚度的分层缺陷，还能够实现真实分层的复合材料和空气交界的界面的模拟。因此能够利用根据本发明的制备方法制作的对比试块来标定检测设备，并且能够以此评估检测技术对复合材料加工分层缺陷的检测的精确性和灵敏度。下面，将结合附图对根据本发明的用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法进行详述。

如图1所示，本发明所提供的用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法大致包括以下步骤：

S1：铺贴复合材料预浸料；

S2：铺设金属片；

S3：固化成型脱模获得复合材料试样；

S4：无损检测定位金属片；

S5：机加工复合材料试样；

S6：化学腐蚀溶剂腐蚀；

S7：无损检测筛选腐蚀后的复合材料试样。

具体来说，首先将多块复合材料预浸料逐层铺贴在模具上，然后在复合材料预浸料的预定层间铺设金属片，接着固化成型与脱模后获得内置有金属片的复合材料试样，然后利用无损检测装置定位金属片在复合材料试样中的位置，随后在前述位置处沿着复合材料试样的厚度方向机加工复合材料试样以使金属片的边缘露出，再将机加工后的复合材料试样放入化学腐蚀溶剂中腐蚀一定时间，再进一步地检测筛选出腐蚀完全的复合材料试样，该腐蚀完全的复合材料试样就是对比试块。

其中，复合材料预浸料可以为碳纤维或者玻璃纤维增强树脂基复合材料，其在常温下具有惰性，而且每块复合材料预浸料的尺寸大小相同。用于铺贴复合材料预浸料的模具的形状尺寸与复合材料预浸料相配合，设计人员能够根据期望的对比试块结构对模具进行相应的形状尺寸设计与加工。优选地，模具可以为具有平整底面的方形框架，能够避免模具对成型固化后的复合材料试样形状和内部结构的影响。更加优选地，将多块形状尺寸相同的复合材料预浸料平铺在模具上。

然后，根据设计方案，可以在铺贴于模具上的多块复合材料预浸料的特定层的设定位置处铺贴金属片。具体地，可以先铺贴预定层数的复合材料预浸料在模具上，其中复合材料预浸料的形状尺寸完全相同，并且铺贴位置完全重合。然后以特定层的复合材料预浸料上表面的左下角为零点，通过直尺测量或者划线法找到设定位置，由此找到金属片在特定层的复合材料预浸料上的铺贴位置，将金属片铺贴在该位置。然后再铺贴复合材料预浸料到特定层的复合材料预浸料和金属片的上表面，实现金属片的完全覆盖。

此外，金属片的形状、尺寸以及放置位置决定着检测的分层缺陷的形状、尺寸、深度和位置。优选地，使用线切割等精密加工设备先精确加工金属片以获得具有预定尺寸和形状的金属片，由此来精确控制检测的分层缺陷的形貌和位置。而且，金属片的材料以及化学特性对于对比试块的制备也十分重要。优选地，金属片为易化学腐蚀的金属片。更加优选地，金属片的厚度小于1毫米，可达微米级。示例性地，金属为铜片薄片、铝片薄片或者铁片薄片，能够与化学腐蚀材料发生置换反应从而溶解与化学腐蚀溶剂中。优选地，金属片的厚度与检测的分层缺陷的厚度一致。

参考图2—图4，通过线切割设备、电火花加工设备或者加工中心将金属片2加工为预定大小圆形，方形和正方形，然后将精加工后的金属薄片2铺贴在特定层的复合材料预浸料1的上表面。优选地，铺贴有圆形和方形的金属片2的对比试块能够检测复合材料预浸料1在钻孔加工过程中出现的分层缺陷。更加优选地，铺贴有正方形的金属片2的对比试块能够检测复合材料预浸料1在铣削加工过程中出现的分层缺陷。

随后，将模具以及其承载的带有金属片2的多块复合材料预浸料1一起放入热压罐中进行加热固化。热压罐是一个具有整体加热系统的压力容器，能够为复合材料预浸料1的固化提供必要的压力和热量。同时，金属片2具有刚性，在复合材料成型加压过程中不会因为热压罐施加的压力或复合材料预浸料1受热融化流动而产生变形，保证了设计尺寸和形状，实现了检测的分层缺陷尺寸和位置的精准控制。

接着，从热压罐中取出模具和固化的复合材料预浸料1，进行脱模处理获得内置有金属片2的复合材料试样，再使用无损检测设备检测金属片2在复合材料试样中的位置。

示例性地，无损检测设备为X射线检测装置，能够发射X射线扫描固化的复合材料试样的上表面，并且能够穿透固化的复合材料试样，拍摄显示复合材料试样内外形貌的多张图片。根据金属片2与复合材料在X射线拍摄图片中的颜色不同，能够定位金属片2在复合材料试样中的位置。

进一步地，加工金属片2所在位置处的复合材料试样以使金属片2的边缘露出。示例性地，参考图5—图7，图5为具有图2所示的金属片2的复合材料试样3钻孔后的剖面图，在圆形金属片2的中心，沿着复合材料试样3的厚度方向进行钻孔，在复合材料试样3上相应的位置处产生通孔4。而且，通孔4的尺寸比金属片2的尺寸小，金属片2的边缘能够通过通孔4露出，与空气直接接触。同理，图6中的金属片2能够通过钻孔产生的通孔4露出。图7中的金属片2能够通过铣削掉部分区域的复合材料试样3及内置金属片2露出边缘，从而能够与空气直接接触。

再将钻孔或者铣削加工完成的复合材料试样3放置于调配好的化学腐蚀溶剂中，以腐蚀溶解金属片2。优选地，化学腐蚀溶剂为酸性腐蚀溶剂。示例性地，化学腐蚀溶剂为选自盐酸溶剂或硝酸溶剂的酸性腐蚀溶剂。化学腐蚀溶剂能够与金属片2发生置换反应，但不与复合材料发生反应，从而仅腐蚀金属片2而不损伤复合材料本身

最后，复合材料试样3在化学腐蚀溶剂中腐蚀一段时间后，取出腐蚀后的复合材料试样3，使用无损检测设备检测金属片2的腐蚀情况来筛选获得对比试块。优选地，复合材料试样3在化学腐蚀溶剂中腐蚀8-16小时后取出。示例性地，使用X射线检测装置扫描腐蚀后的复合材料试样3，得到相应的拍摄图片。在拍摄的图片中，如果出现亮点，则金属片2腐蚀不完全，复合材料试样3中存在残留的金属片2。否则，金属片2已经腐蚀完全，复合材料试样3的层间具有空隙以及复合材料和空气交界的界面，此时的腐蚀后的复合材料试样3即为所需对比试块。

此外，对于金属片2腐蚀不完全的复合材料试样3，可以将其再放入化学腐蚀溶剂中继续腐蚀，直至金属片2完全腐蚀。也就是说，金属片2完全消失，在检测设备拍摄的图片中没有亮点，从而得到能够检测复合材料在加工过程中产生的分层缺陷的对比试块。

本发明的上述具体实施方式的有益技术效果如下：

1、使用预埋金属片后腐蚀的方法来制备对比试块，可实现复合材料在加工过程中产生的微米级厚度的分层缺陷的检测，接近于真实分层缺陷厚度的检测。

2、金属片具有刚性，保证了其在复合材料成型加压过程中不会因为压力或树脂流动而发生变形，避免了设计尺寸和形状偏离。

3、通过精加工金属片与预设位置能够确定复合材料试样腐蚀后的空隙的大小及位置，从而能够实现可检测的分层缺陷尺寸和位置的精准控制。

4、采用化学腐蚀试剂来完全腐蚀金属片，而不损伤复合材料本身，因此能够在特定位置处留下可控形状和尺寸的空隙，实现真实分层的复合材料和空气交界的界面的模拟。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于复合材料加工分层缺陷检测的对比试块的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

将多块复合材料预浸料逐层铺设在模具上，并在所述多块复合材料预浸料的预定层间铺设金属片；

固化成型且脱模所述复合材料预浸料以获得内置有所述金属片的复合材料试样；

利用无损检测装置定位所述金属片在所述复合材料试样中的位置；

沿着所述复合材料试样的厚度方向对所述位置处的所述复合材料试样进行机加工以使所述金属片的边缘露出；以及

将所述机加工后的复合材料试样放入化学腐蚀溶剂中腐蚀预定时间，并使用所述检测装置检测筛选腐蚀完全的复合材料试样以获得所述对比试块。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括使用线切割设备来精加工所述金属片以获得具有预定尺寸和形状的金属片。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料预浸料为碳纤维或者玻璃纤维增强树脂基复合材料，而且每块复合材料预浸料的尺寸大小相同。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属片为易腐蚀的金属薄片，并且其厚度被设定为不超过1毫米。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属片为铜片、铝片或者铁片。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无损检测装置为X射线检测装置，所述X射线检测装置被配置为能够通过发射X射线定位所述金属片在所述复合材料试样中的位置。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述机加工包括钻孔和铣削。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学腐蚀溶剂能够与所述金属片发生置换反应，但不与所述复合材料预浸料发生反应。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学腐蚀溶剂包括选自盐酸溶液或硝酸溶液的酸性腐蚀溶液。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述腐蚀完全的复合材料试样的内部具有复合材料和空气交界的界面。

Images