先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料表面涂層厚度測(cè)量研究

玻璃聚酯復(fù)合材料的超聲檢測(cè)方法G.Wróbel,?.Wierzbicki*金屬處理部門與復(fù)合物工程研究所材料和生物材料，機(jī)械工程學(xué)院，西里西亞工業(yè)大學(xué)，UL。konarskiego18A，44-100格利維策，波蘭*通訊作者：電子郵件地址：lukasz.wierzbicki@polsl.pl15.11.2006收到30.10.2006修訂摘要目的：該工作的目的是要找到的超聲波波速和強(qiáng)度與楊氏模量之間在玻璃-聚酯復(fù)合物中的關(guān)系。設(shè)計(jì)/方法/辦法：實(shí)驗(yàn)是在三個(gè)不同的階段進(jìn)行的。在第一階段，典型的玻璃聚酯復(fù)合材料進(jìn)行老化得到不同的機(jī)械性能。在第二階段，復(fù)合材料的強(qiáng)度和超聲性能的測(cè)試。最后階段我們比較性能的改變。結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲波速度和強(qiáng)度與楊氏模量之間的關(guān)系。研究限制/問(wèn)題：在這些應(yīng)用中，其中在聚合物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料加載一種熱載荷和機(jī)械載荷，它是測(cè)試在無(wú)損使用的復(fù)合材料強(qiáng)度的基本特征方法。這使得結(jié)構(gòu)的同步狀態(tài)檢查和使人們有可能取代二評(píng)價(jià)量表（好-壞）不斷等級(jí)強(qiáng)度退化尺度材料。實(shí)踐意義：本研究結(jié)果表明超聲法的可能性對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度變化的診斷。該方法允許不破壞地檢測(cè)機(jī)器工作部分或建筑。創(chuàng)新/價(jià)值：調(diào)查的結(jié)果可以確認(rèn)，超聲波可以用于強(qiáng)度和楊氏模量變化的無(wú)損檢測(cè)。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；工程塑料；性能；無(wú)損檢測(cè)引言纖維增強(qiáng)復(fù)合材料正在越來(lái)越多地使用取代傳統(tǒng)的材料，主要是因?yàn)樗麄兏叩谋葟?qiáng)度，比剛度和可裁剪的特性。此外，復(fù)合材料的粘彈特性使它們適用于高性能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用航空航天，船舶，汽車，等。然而，這些材料完全不同于金屬因?yàn)榍罢弑憩F(xiàn)出完全不同的特有的失效模式（基體開(kāi)裂，分層，纖維由于脫粘破壞和界面粘結(jié)破壞）和在細(xì)觀力學(xué)的相互作用[1,2]。無(wú)損檢測(cè)方法是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的最一般的診斷和科學(xué)分支。在這些應(yīng)用中，其中聚合物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料受到熱載荷和機(jī)械載荷，它是測(cè)試中使用的復(fù)合材料強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法的基本特征。這使得結(jié)構(gòu)的同步狀態(tài)檢查和使人們有可能取代二價(jià)評(píng)估量表（好-壞）的不斷等級(jí)強(qiáng)度退化尺度材料[3]?；谒俣群统暡▊鞑サ臉悠敷w積吸收系數(shù)的測(cè)量，體積波動(dòng)聲學(xué)方法可以獲得各種有關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在固體中原子的相互作用取決于速度和超聲波的吸收系數(shù)，分子或分子組。實(shí)際上，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)變化導(dǎo)致在相互作用的變化在振動(dòng)振蕩器，其次是通過(guò)超聲波傳播的變化參數(shù)。除了微觀結(jié)構(gòu)的變化，材料的聲學(xué)特性也可以通過(guò)降解由工作條件對(duì)結(jié)構(gòu)引起的影響積累微損害[3]。微損傷的積累問(wèn)題的說(shuō)明過(guò)程中復(fù)合材料創(chuàng)造了效率的基礎(chǔ)在負(fù)載能力磨損評(píng)估過(guò)程超聲波診斷的復(fù)合材料。本文是試圖確定負(fù)載容量劣化程度和超聲波玻璃聚酯復(fù)合材料傳播特性變化之間的依賴關(guān)系。探頭的位置[毫米]探頭的位置[毫米]圖1.同一人工缺陷回波包絡(luò)線的形狀：a）在鋼，b）在碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂[13]1.1.對(duì)復(fù)合材料的超聲波檢測(cè)超聲波測(cè)試對(duì)象的過(guò)程包括向被檢對(duì)象發(fā)射超聲波，移動(dòng)探頭掃描被檢對(duì)象表面和檢測(cè)超聲波在被檢對(duì)象中產(chǎn)生的信號(hào)（脈沖）。在這種試驗(yàn)的基本規(guī)則是知道超聲波參數(shù)測(cè)量值（例如，超聲波速度）和一種復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)試的性能（例如，在放大相含量）之間的依賴關(guān)系。超聲參數(shù)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能之間的依賴關(guān)系的通常憑經(jīng)驗(yàn)確定，根據(jù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)樣品的精確定義和已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]。有檢測(cè)功能的超聲波特征參數(shù)是[5,6,7,8,9]：-傳播速度C-振幅阻尼系數(shù)α-運(yùn)動(dòng)阻尼因子γ該方法以測(cè)量經(jīng)過(guò)波的速度，作為測(cè)量元件的厚度，是基于相同的測(cè)試裝置。大多數(shù)探傷儀能夠測(cè)量波穿過(guò)材料的時(shí)間，并基于波傳播的多快的知識(shí)，也就是樣本的厚度。大部分時(shí)間，用回波和單或雙探頭進(jìn)行測(cè)量。雙探頭用于帶有彎曲、缺損的對(duì)象或者被腐蝕的表面[10,11,12]。復(fù)合材料測(cè)試與鋼的測(cè)試作比較，由于材料特性的不同，結(jié)果是不同的超聲波脈沖圖像。圖一顯示同一缺陷在鋼和碳纖維復(fù)合材料動(dòng)態(tài)回波包絡(luò)線示意圖。例子b）很難區(qū)分從那些通過(guò)減少材料系數(shù)中的局部差異引起的缺陷回波振幅的變化[13]。在超聲檢測(cè)程序，專家建議使用的變換的方法，特別是不均勻的材料或?qū)τ谀切┦芨g影響的過(guò)程。然而，這種方法需要使用的一組相對(duì)導(dǎo)向探頭。被檢對(duì)象結(jié)構(gòu)并不總是給予雙向探測(cè)。這些缺點(diǎn)由容易理解和探傷結(jié)果的重復(fù)性來(lái)平衡。表一.復(fù)合成分名稱密度或成分比例樹(shù)脂Polimal1051.3g/cm3在凝膠時(shí)間測(cè)試中常用比例（20分鐘）催化劑鈷催化劑4%溶液結(jié)構(gòu)STR010-300-125300g/m239層織物在測(cè)試層壓板實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)象是手工制作玻璃聚酯層壓板。層壓板組成如表1所示。樣品尺寸是250x20x8毫米。2.1復(fù)合物老化假定由水組成的環(huán)境條件下測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中,假設(shè)溫度是一個(gè)常數(shù)。條件被滿足,除了溫度上升的一小段時(shí)間(3小時(shí))。老化的過(guò)程是在沸騰的海水溫度下進(jìn)行的。特定溫度的選擇基于那個(gè)證明復(fù)合物沸騰兩個(gè)小時(shí)等同于在室溫下浸漬三個(gè)月的Rawe制定相關(guān)的專業(yè)文獻(xiàn)[15]。測(cè)試分為四個(gè)系列。每個(gè)系列都有不同測(cè)量時(shí)間點(diǎn),分別為48,96、192和288小時(shí)。測(cè)試時(shí)間0點(diǎn)設(shè)定為參照。一半的樣品是變形體。在這三個(gè)配置點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)是3毫米。圖二.樣品變形體示意圖伴隨老化時(shí)間強(qiáng)度增加可明顯看見(jiàn)多個(gè)白色斑點(diǎn)和分層現(xiàn)象。2.2強(qiáng)度和密度測(cè)試復(fù)合材料的強(qiáng)度測(cè)試是根據(jù)PN-ENISO141125標(biāo)準(zhǔn)即:“塑料復(fù)合材料加入纖維目的是增強(qiáng)彎曲性能?！边M(jìn)行的。密度的改變是根據(jù)PN-ENISO62標(biāo)準(zhǔn)即:“加入塑料增強(qiáng)吸收能力。”的方法論進(jìn)行的。樣品是被讀數(shù)精度0.001g的分析天平稱重的。測(cè)量是在樣品老化之前和從腐蝕液中取出樣品后不超過(guò)三十分鐘的一段時(shí)間進(jìn)行的。2.3超聲檢測(cè)在測(cè)試過(guò)程中，采用超聲波測(cè)試工作站，其中包括：PC類計(jì)算機(jī)，12通道超聲波卡1兆赫13探頭unipan1ln。這探頭產(chǎn)生縱波。工作站是用來(lái)測(cè)量波的傳播速度與聲衰減系數(shù)。在將材料樣品放置于超聲頭之間后采用基于通過(guò)耦合中心的信號(hào)幅值變化的還原測(cè)量方法。檢測(cè)結(jié)果強(qiáng)度和密度測(cè)試結(jié)果在表2和表3。測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。強(qiáng)度相關(guān)變化與材料聲學(xué)特性描述方程（R因子：73.3%，圖3。）：δf=261,212–0,00064C2r+0,00001(C2r)2(1)楊氏模量相關(guān)變化與材料聲學(xué)特性描述方程（R因子：71.9%，圖4。）：E=23417,24–0,0031C2r+0,00001(C2r)2(2)其中：C–樣品中超聲波傳播速度r-層板密度，δf-強(qiáng)度，E-楊氏模量表二.樣品的變形試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量時(shí)間點(diǎn)質(zhì)量密度的變化Δr[%]強(qiáng)度變化↓δf[%]楊氏模量變化↓E[%]48時(shí)0,50635,24715,39596時(shí)1,29355,46226,933192時(shí)2,08568,02735,787288時(shí)2,46676,44844,716表三.不變形的樣品的測(cè)試結(jié)果測(cè)量時(shí)間點(diǎn)質(zhì)量密度的變化Δr[%]強(qiáng)度變化↓δf[%]楊氏模量變化↓E[%]48時(shí)0,36919,1364,29996時(shí)1,22946,11419,066192時(shí)1,93065,38826,263288時(shí)2,21870,95432,145圖三.強(qiáng)度相關(guān)變化與聲學(xué)特性和密度圖四.楊氏模量相關(guān)變化與聲學(xué)性能和密度結(jié)論成功的定義明顯依賴被檢復(fù)合材料的強(qiáng)度和其聲學(xué)性能退化的條件給出了材料聲學(xué)性能變化和強(qiáng)度或楊氏模量退化等級(jí)之間的一個(gè)檢測(cè)描述為出發(fā)點(diǎn)的關(guān)系。在持續(xù)降解條件下的剩余材料的聲學(xué)性能值達(dá)到實(shí)際降解期間的統(tǒng)計(jì)估值和材料的剩余極限強(qiáng)度值。可以認(rèn)為在玻璃聚酯復(fù)合材料試驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)的這種方法的實(shí)用性測(cè)試在聚合物復(fù)合材料類，尤其是千篇一律的材料具有較高的同質(zhì)性和更頻繁的重復(fù)性的材料特性被廣泛證實(shí)。參考文獻(xiàn)[1]R.Chandra,S.P.Singh,K.Gupta,Dampingstudiesinfiberreinforcedcomposites-areview.CompositeStructures46(1999)41-51.[2]L.A.Dobrzaski,Engineeringmaterialsandmeterialdesign.Principlesofmaterialsscianceandphysicalmetallurgy,WNT.Warszawa,2006(inPolish).[3]G.Wróbel,.Wierzbicki,Ultrasoundsinthediagnosisofstrengthchangesinlaminatesputinageingconditions.4.784,ScienceficConfererenceonMaterialsMechnicalandManufacturingEngineering,Gliwice2005.[4]S.Mackiewicz,Ultrasoundstestingsofthecompositesmaterials.ScienceficConfererenceonUltrasoundsmaterialstesting,Zakopane1995.(inPolish).[5]M.Rojek,J.Stabik,G.Wróbel,Ultrasonicmethodsindiagnosticsofcomposites,5thScienceficConfererenceonPolimersandconstructionscomposites,Gliwice,2002.(inPolish).[6]M.Rojek,J.Stabik,G.Wróbel,Ultrasonicmethodsindiagnosticsofepoxy-glasscomposites,JournalofMaterialsProcessingTechnology(2005)162-163.[7]J.Obraz,UltrasonicTestingofMaterials,WNT,Warsaw,1983.(inPolish)[8]M.Rojek,J.Stabik,G.Wrobel,Ultrasonicmethodsindiagnosticofepoxy–glasscomposites,11thInternationalScientificConferenceonContemporaryAchievementsinMechanicalandMaterialeEngineering.Gliwice–Wisa2005.[9]G.Wróbel,.Wierzbicki,S.Pawlak,Ultrasonicqualityevaluationmethodforpolyesterglasslaminatedmaterials.11thInternationalScientificConferenceonContemporaryAchievementsinMechanics,ManufacturingandMaterialsScience.Gliwice–Zakopane,2005,1040-1044.[10]G.Wróbel,S.Pawlak,Ultrasonicevaluationofthefibercontentinglass/epoxycomposites,14thInternationalScientificConferenceonAchievementsinMechanicalandMaterialsEngineering.Gliwice–Wisa,2006,187-190.[11]G.Wróbel,.Wierzbicki,S.Pawlak,Ultrasonicqualityevaluationmethodforpolyesterglasslaminatedmaterials,11thInternationalScientificConferenceonContemporaryAchievementsinMechanics,ManufacturingandMaterialsScience.Gliwice–Zakopane,2005,1040-1044.[12]C.Potel,T.Chotard,J.FBelleval,M.Benzeggagh,Characterizationofcompositematerialbyultrasonicmethods,CompositesPartB(1998)159-169.[13]J