先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料表面涂層厚度測(cè)量研究-開(kāi)題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目 先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料表面涂層厚度測(cè)量研究專 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx年 4月 9日一、 選題的依據(jù)及意義：目前，金屬基、碳基、樹(shù)脂基、和陶瓷基作為主要的先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，其中碳纖維復(fù)合材料（RCC 復(fù)合材料）和陶瓷基復(fù)合材料通常作為高溫耐熱構(gòu)件應(yīng)用于航空航天的關(guān)鍵高溫部件之中。由于許多航空航天構(gòu)件的工作環(huán)境溫度可高達(dá) 1650C以上，而碳纖維復(fù)合材料（RCC 復(fù)合材料）則是工作環(huán)境溫度在 1650C 以上尤其是超過(guò) 2000C 的唯一候選材料。所以說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料是新型材料技術(shù)的集中體現(xiàn)以及先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航空航天、軍工以及其它民用工業(yè)領(lǐng)域。目前，三向編織技術(shù)已經(jīng)成為碳纖維復(fù)合材料制作成型方式中的主要加工工藝技術(shù)，同時(shí)，為防止此類先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料在高溫工作環(huán)境中被氧化燒蝕而造成失效事故，通常需在其基體表面鍍上一層碳化硅材料（厚度約 50160m）。 涂鍍層的測(cè)量，有許多方法可供采用，包括機(jī)械的，光學(xué)的，磁學(xué)的等方法。其中，非放射性測(cè)量方法主要有射線法，超聲法，磁感應(yīng)法，電磁渦流法，幾種方法在使用中，適用對(duì)象不同，盡管存在重疊性但各有優(yōu)劣，射線類方法現(xiàn)在有X熒光能量色散法，X射線衍射法和韌致輻射法幾種方法，射線法直觀但體積龐大，不便攜帶，且存在防護(hù)放射源問(wèn)題，使用不方便，超聲法有共振法，脈沖反射法，其靈敏度較高，從測(cè)量精度來(lái)說(shuō)，可滿足生產(chǎn)中的需求，但其測(cè)量范圍一般在0.5mm到5mm，對(duì)于um級(jí)鍍層，基本上不可能測(cè)量，磁感應(yīng)法可測(cè)磁性材料表面的非磁性鍍層（塑料，油漆），測(cè)量范圍為500um-20mm.上述超聲法，射線法和磁感應(yīng)法等測(cè)厚技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都有成熟的測(cè)量技術(shù)，被廣泛使用，各有優(yōu)勢(shì)，但這些方法卻不能滿足薄涂鍍層（幾十um）的測(cè)量要求。而渦流法在測(cè)量頻率在500KHZ-600KHZ時(shí)，測(cè)量范圍可達(dá)1um-30um，頻率在15KHZ時(shí)，測(cè)量范圍可達(dá)5um-250um，所以渦流法在測(cè)小范圍薄涂鍍層厚度中，有其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)1。迄今為止，渦流測(cè)厚法已被廣泛運(yùn)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，也引來(lái)了許多學(xué)者的研究并取得了一定的科研成果，但該項(xiàng)測(cè)厚技術(shù)還是不夠成熟，其測(cè)量的涂層對(duì)象主要為非磁性或磁性金屬基體上的絕緣層厚度或是基體材料的電導(dǎo)率與涂層材料電導(dǎo)率差異很大的涂層厚度，而本課題所研究的對(duì)象是采用三向編織工藝制成的帶 SiC 涂層的先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的基體材料，這種材料雖然是屬于非磁性金屬基體上金屬涂層范疇，但不同于一般金屬材料，這種材料的基體和涂層都屬于低電導(dǎo)率材質(zhì)并且存在電導(dǎo)率不均勻分布的特性。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)非磁性或磁性低電導(dǎo)率金屬基體上低電導(dǎo)率涂層厚度測(cè)量的研究并沒(méi)有取得關(guān)鍵突破性的進(jìn)展，因此，此類材料涂層厚度渦流測(cè)量方法的研究也成為涂層測(cè)厚領(lǐng)域內(nèi)一亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，此項(xiàng)研究技術(shù)將對(duì)彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)運(yùn)用渦流法進(jìn)行涂層測(cè)厚無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)有著重要的意義， 二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)： 國(guó)外渦流測(cè)厚技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，其中頗有代表性的美國(guó)CMI公司由最初通過(guò)對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量來(lái)測(cè)金屬鍍層的厚度，發(fā)展到后來(lái)通過(guò)測(cè)涂鍍層阻抗值的方法來(lái)對(duì)基體上絕緣層厚度進(jìn)行測(cè)量，直到現(xiàn)在用渦流法測(cè)涂鍍層阻抗值的方法對(duì)金屬鍍層進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍為1-50um。在測(cè)量精度方面達(dá)到了一定的要求。 國(guó)內(nèi)，測(cè)厚領(lǐng)域，渦流法也被廣泛應(yīng)用，但測(cè)量對(duì)象為非磁性和磁性金屬基體上絕緣層或非磁性覆層，（如噴涂層，油漆層，陶瓷層）厚度，測(cè)量范圍最小為0-200um，對(duì)于非磁性和磁性金屬基體上金屬鍍層厚度的測(cè)量尚未見(jiàn)成功報(bào)道。 對(duì)于碳纖維復(fù)合材料渦流法測(cè)厚的研究，國(guó)外許多學(xué)者也進(jìn)行了探索，W Yin和 P J Withers等人應(yīng)用多頻渦流探頭測(cè)量了碳纖維增強(qiáng)材料的電導(dǎo)率測(cè)量、材料的各向異性特征以及開(kāi)展了缺陷成像的研究，取得了一定的研究成果。渦流測(cè)厚法作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，尤其是航空航天、核電站以及民用工業(yè)。它屬于非破壞性測(cè)厚法，目前在國(guó)內(nèi)主要用于測(cè)量非磁性導(dǎo)電基體上絕緣涂層厚度和絕緣基體上的導(dǎo)電涂層厚度，而且如果基體材料與涂層材料的電導(dǎo)率差異較大，也可以適用于此法測(cè)厚。渦流測(cè)厚法應(yīng)用最普遍的是測(cè)量鋁制品表面上的陽(yáng)極氧化膜厚度、絕緣基體材料上的銅箔厚度、銅鋁合金表面上的絕緣涂層厚度等。而且渦流法測(cè)厚儀屬于便攜式掌上測(cè)試儀因此便于隨身攜帶，測(cè)厚方法易于掌握，測(cè)量效率高，成本較低，因而它是非磁性基體材料上涂層厚度高精度測(cè)量較為普遍的方法根據(jù)涂層材料的性質(zhì)和基體材料的性質(zhì)不同，可以將其分成以下四類進(jìn)行涂層厚度測(cè)量。 (1) 金屬基體材料上的絕緣涂鍍層； (2) 金屬基體材料上具有更高電導(dǎo)率的金屬涂鍍層； (3) 絕緣基體材料上的金屬涂鍍層； (4) 金屬基體材料上電導(dǎo)率較低的金屬涂鍍層。 上述第一類由于其涂鍍層為絕緣不導(dǎo)電材料，基體材料為金屬，故基體材料和涂層材料的電導(dǎo)率差異比較大，對(duì)渦流檢測(cè)中提離效應(yīng)的影響因素比較少，其涂層測(cè)厚原理就是利用提離效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層高精度測(cè)量，所以比較易于實(shí)現(xiàn)。然而后面三類材料，尤其是最后一類，由于對(duì)涂層測(cè)厚的影響因素比較多，因此涂鍍層的測(cè)量比較難以實(shí)現(xiàn)。而我們所研究的先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料涂層厚度的測(cè)量就屬于最后這一種，而且此類涂層屬于超薄涂層（50160m），這又對(duì)測(cè)量范圍以及測(cè)量精度提出了更高的測(cè)量要求，所以這項(xiàng)涂層測(cè)厚技術(shù)在研究過(guò)程中實(shí)現(xiàn)難度較大2。自從哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事以后,美國(guó)專門(mén)成立了一個(gè)獨(dú)立調(diào)查委員會(huì)。獨(dú)立調(diào)查委員會(huì)指出，在恢復(fù)航天飛機(jī)飛行前，NASA 必須制定并實(shí)施全面的航天飛機(jī)檢查計(jì)劃，這次檢查計(jì)劃應(yīng)充分利用目前先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)以確保航天飛機(jī)上所有 RCC 組件結(jié)構(gòu)的完整性。因?yàn)樗麄冊(cè)讵?dú)立調(diào)查的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，NASA 現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)存在嚴(yán)重的不足，不能有效的評(píng)定這種材料結(jié)構(gòu)的完整性。RCC 組件是航天飛機(jī)隔熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件的組成部分，例如，航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣就覆蓋著由這種材料制成的隔熱防護(hù)板，為此 NASA 采用了許多先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì) RCC 材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，其中對(duì)于先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料 SiC涂層厚度的測(cè)量采用的就是陣列渦流掃描成像技術(shù)6。 三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案1.研究?jī)?nèi)容 本課題基于渦流法對(duì)先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料涂層厚度的測(cè)量進(jìn)行研究分析，通過(guò)探索最佳檢測(cè)參數(shù)，有效的抑制電導(dǎo)率不均勻性的影響，從而，利用渦流提離效應(yīng)實(shí)施先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料涂層厚度渦流法測(cè)量。研究成果可為先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料涂層厚度渦流法測(cè)量提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持7。2.實(shí)驗(yàn)方案2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備Eddysigma-208電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x 、改進(jìn)的 EEC 智能渦流檢測(cè)儀2.2試樣制備1#先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料基體圓形試塊；2#、3#帶未知SiC 涂層厚度的先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料圓形試塊；4#先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料基體矩形試塊；5#帶未知SiC 涂層厚度的先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料矩形試塊。2.3試驗(yàn)步驟（1）利用提離效應(yīng)測(cè)量在4#和5#試塊上的渦流信號(hào)，比較不同試塊上測(cè)量所得渦流信號(hào)的提離點(diǎn)的距離點(diǎn)數(shù)差異，找到最大差異時(shí)的頻率即最佳頻率；（2）基于最佳檢測(cè)參數(shù)的條件下，利用厚度已知的超薄絕緣膜層（10m-200m）在4#基體上進(jìn)行模擬涂層測(cè)厚靈敏度試驗(yàn),記錄不同膜層厚度下的提離點(diǎn)對(duì)應(yīng)值；（3）基于最佳檢測(cè)參數(shù)的條件下，分別比較帶錫紙的4#試塊與5#試塊之間的提離效應(yīng)差異；（4）測(cè)量5#不同點(diǎn)的膜厚提離點(diǎn)值；（5）分析數(shù)據(jù)，將5#不同點(diǎn)的提離點(diǎn)值與不同絕緣膜層厚度下4#試塊的提離點(diǎn)值對(duì)應(yīng)，相同的值即為涂鍍層厚度。 圖1.測(cè)量結(jié)果分析3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析3.2實(shí)驗(yàn)總結(jié)及報(bào)告撰寫(xiě)四、研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1研究目標(biāo)探討利用渦流提離效應(yīng)實(shí)施特種碳纖維復(fù)合材料涂層厚度渦流法測(cè)量方法的可行性。4.2主要特色本課題主要是基于目前渦流測(cè)厚技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，探討研究先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料涂層厚度渦流檢測(cè)的可行性，為實(shí)現(xiàn)渦流法測(cè)量先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料涂層厚度提供可靠、實(shí)用的試驗(yàn)和理論依據(jù)。 4.3工作進(jìn)度1.前期資料收集、調(diào)研 2月24日3月20日2.開(kāi)題報(bào)告的完成 2月21日4月05日3.學(xué)習(xí)涂層厚度測(cè)量的原理、方法 4月01日4月15日4.相關(guān)試件的設(shè)計(jì)及制作 4月16日5月12日5.實(shí)驗(yàn) 5月13日5月28日6.數(shù)據(jù)分析及相關(guān)參數(shù)的修正 5月29日6月01日7.撰寫(xiě)畢業(yè)論文 、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 6月02日6月20日五.參考文獻(xiàn)：1.任吉林,林俊明.電磁無(wú)損檢測(cè)M.北京:科學(xué)出版社,2008. 2.任吉林.渦流檢測(cè)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985:5155. 3.任吉林,俞佳,唐繼紅.基于 ANSYS 的放置式渦流線圈的數(shù)值分析J.南昌航空大學(xué),2007.4.黃松嶺,徐琛等.油氣管道變形渦流檢測(cè)線圈探頭的有限元仿真分析J.清華大學(xué)學(xué)報(bào),2011,51（03）. 5.任吉林,林俊明.電磁無(wú)損檢測(cè)M.北京:科學(xué)出版社,2008:377-379.6.張玉妥,李依依.“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)空難原因及其材料分析J,科技導(dǎo)報(bào),2005,23(7):3437. 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