碳纖維復(fù)合材料孔隙率及其檢測方法

碳纖維復(fù)合材料孔隙率及其檢測方法李建國【摘要】摘要本文分析了碳纖維復(fù)合材料孔隙形成的原因，指出孔隙的定量指標(biāo)孔隙率及其兩種定義方法即面積孔隙率和體積孔隙率，分別闡述了孔隙對碳纖維復(fù)合材料剪切性能和彎曲性能的影響程度，同時介紹了密度測量法、吸水測量法、顯微照相法三種破壞性檢測法和射線檢測法、超聲衰減法、導(dǎo)波法、超聲聲阻抗法、極角背反射法五種無損檢測法，簡述兩類孔隙率的檢測方法的基本原理，并對兩類方法進行了比較分析?！酒诳Q】纖維復(fù)合材料【年(卷)，期】2012(029)004【總頁數(shù)】4【關(guān)鍵詞】關(guān)鍵詞孔隙率;碳纖維復(fù)合材料;破壞性檢測;無損檢測;密度測量法;吸水測量法;顯微照相法;射線檢測法1引言碳纖維復(fù)合材料是指把碳纖維作為增強相，與基體材料合理地進行復(fù)合而制得的一種材料。其主要優(yōu)點在于材料的輕質(zhì)高強和輕質(zhì)高模的特性，這種特性通常用比強度和比剛度來表示的。比強度是強度與密度的比值，比剛度是彈性模量與密度的比值。這兩個比值越大可以說明材料特性越優(yōu)良。例如碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在比強度、比剛度方面明顯的優(yōu)于傳統(tǒng)的航空材料鋁合金、欽合金，成為航空工業(yè)的新寵。碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)良特性使其在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料盡管有許多優(yōu)良的特性，然而保證材料質(zhì)量，檢測材料缺陷，是其得以正確、安全應(yīng)用的前提。碳纖維復(fù)合材料的缺陷種類有很多，孔隙是復(fù)合材料中最為常見、最為重要的缺陷之一。2孔隙形成原因其及孔隙率的定義2.1孔隙形成原因完全無孔隙的復(fù)合材料是沒有的。在生產(chǎn)過程中，碳纖維復(fù)合材料中的孔隙有兩種基本類型:第一是沿纖維方向形成的孔隙，呈圓形或被拉成與纖維平行的橢圓形;孔隙的直徑與纖維的間距有關(guān)系，典型的范圍為5~20um;第二是沿層間以及樹脂富集區(qū)內(nèi)凹坑處形成的形狀較為規(guī)則的孔隙。一般情況，產(chǎn)生孔隙有兩個主要原因:第一，在生產(chǎn)過程中纖維未被樹脂完全浸潤透，造成空氣滯留在材料內(nèi)部，特別是對纖維排列密集和樹脂粘度大的材料系統(tǒng)，更容易形成孔隙。第二，樹脂在固化過程中產(chǎn)生揮發(fā)物，由于揮發(fā)物揮發(fā)而在復(fù)合材料中形成了孔隙。這些揮發(fā)物可能是殘余的溶劑、化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物或者是樹脂中低分子量成分。孔隙含量的多少和分布情況取決于碳纖維的體積含量和碳纖維的分布狀況、環(huán)氧樹脂的性能以及生產(chǎn)過程中如溫度、壓力、時間等工藝條件［1］。2.2孔隙率的定義評價孔隙含量的定量指標(biāo)是孔隙率?？紫堵视袃煞N定義方法，即面積孔隙率和體積孔隙率。面積孔隙率是指單位面積所含孔隙的面積的百分比，體積孔隙率是指單位體積所含孔隙的體積百分比，具體應(yīng)根據(jù)工程實踐中的檢測技術(shù)而有所不同。通常指的孔隙率為體積孔隙率。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，在某一體積內(nèi)，當(dāng)面積孔隙率統(tǒng)計的次數(shù)達到一定數(shù)量后，所有面積孔隙率之和的平均值可近似為體積孔隙率［2L3孔隙率對復(fù)合材料性能的影響孔隙率對碳纖維復(fù)合材料性能的影響主要體現(xiàn)在對復(fù)合材料層間剪切性能和彎曲性能的影響。3.1孔隙率對層間剪切性能的影響研究表明［3］,每含1%的孔隙率，復(fù)合材料的層間剪切性能下降5%至15%不等，直到孔隙率達到4%時，這種規(guī)律基本保持不變。劉志真等［4］通過試驗得出復(fù)合材料孔隙率與層間剪切性能的關(guān)系，當(dāng)孔隙率小于0.75%時，剪切強度都在76MPa左右，孔隙率對剪切強度的影響不大，當(dāng)孔隙率大于1.5%時，剪切強度迅速下降，只有60%的保持率。劉玲等［5］在研究聚合物基復(fù)合材料中孔隙率及層間剪切性能的關(guān)系時得到這樣結(jié)果，當(dāng)孔隙率較低時（尤其低于4%時），剪切強度隨孔隙率增大而下降得比較快，當(dāng)孔隙率大于5%以后，強度損失己經(jīng)過大，并隨孔隙率的增大下降得比較緩慢或穩(wěn)定?？紫堵蕪?%增大到1%時，強度下降約9%，當(dāng)孔隙率增大到4%時，強度己經(jīng)下降了32%?？紫堵试?-4%，每增加1%，剪切強度平均下降約8%，基本成線性關(guān)系。3.2孔隙率對彎曲性能的影響劉志真等［4］在研究孔隙率對聚酞亞胺復(fù)合材料力學(xué)性能影響時，得出的孔隙率與彎曲性能的關(guān)系。隨著孔隙率的增加，彎曲強度逐漸下降，在孔隙率小于1%時，彎曲性能相差不大，彎曲強度的保持率為90%左右，當(dāng)孔隙率大于3%時，彎曲強度的下降趨勢趨于平緩，彎曲強度保持率大約只有75%。當(dāng)孔隙率超過一定的數(shù)值時，復(fù)合材料就會由于強度的急劇下降而失效。另外，復(fù)合材料的其它性能如縱、橫向拉伸強度、彎曲強度、模量、抗壓強度、疲勞極限等均受到孔隙率的影響。3.3孔隙的形態(tài)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響多數(shù)研究者在研究孔隙問題時都只是考慮孔隙率，這種方法雖然簡單，但卻忽略了孔隙的形狀、尺寸和分布對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。近年來，孔隙的形狀、尺寸等越來越受到人們的重視Wisnon、Reynolds和Gwilliam通過在單向碳纖維復(fù)合材料內(nèi)放置PTFE研究了孔隙的形狀、尺寸和分布對其力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙的縱橫比從1增加到4時，復(fù)合材料的層間剪切強度降低了20%[6L復(fù)合材料在制造過程中容易產(chǎn)生的缺陷可以分為宏觀缺陷和微觀缺陷兩大類。就微觀孔隙缺陷而言，其顯著的特點是缺陷細(xì)微，甚至小到微米級，分布在樹脂或樹脂/纖維界面之間，呈明顯體積分布。不僅宏觀缺陷的存在影響復(fù)合材料的性能，微觀缺陷的存在也會直接影響復(fù)合材料力學(xué)性能和可靠性。如孔隙，對于動態(tài)的力學(xué)性能來說就是一個應(yīng)力集中點，在反復(fù)載荷下會成為一個疲勞源，對于靜態(tài)的力學(xué)性能來說，孔隙會造成材料內(nèi)部疏松并使力學(xué)性能下降。4孔隙率的檢測方法鑒于孔隙是評價復(fù)合材料的重要指標(biāo)，因此人們對孔隙率的檢測總結(jié)了大量的測量方法，總體來說復(fù)合材料孔隙率的檢測方法分為兩類:破壞性檢測法和無損檢測法。破壞性檢測法主要包括密度測量法、吸水法、顯微照相法、酸溶解法；無損檢測法包括超聲波檢測法、射線檢測法、熱紅外成像方法等，現(xiàn)就其中幾個比較常用的方法進行介紹。4.1密度測量法首先通過實驗，測出碳纖維的密度、組分樹脂的密度、復(fù)合材料的密度以及復(fù)合材料中的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)(含量)，再由公式(1)可求得孔隙率。式中:Vv——復(fù)合材料孔隙率；pm——復(fù)合材料密度；wr—樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ws一纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pr——J脂密度；ps——纖維密度。由公式(1)可知，該法得到的孔隙率是所測材料的體積孔隙率，此方法的前提條件是樹脂澆鑄體必須沒有氣泡，并且測定澆鑄體密度時固化溫度、時間、壓力等參數(shù)應(yīng)與復(fù)合材料一致。這種方法測得的孔隙率數(shù)值的精確度較低，一般為±0.5%，這限制了低孔隙率情況下的應(yīng)用。該法相對來說操作簡單，容易實現(xiàn)，不需要太復(fù)雜儀器，因而得到廣泛應(yīng)用;缺點是無法得知孔隙尺寸、形狀和分布，且一般精度不是很高，可以與其它方法配合使用。4.2吸水測量法本方法需要通過試驗測得組分樹脂、復(fù)合材料在水中300h后吸收水的質(zhì)量以及復(fù)合材料中樹脂質(zhì)量含量，由公式(2)可求得體積孔隙率為：式中:Vv——復(fù)合材料孔隙率；wc——復(fù)合材料吸水量；wr—J脂吸水量；pw 水密度；vc——復(fù)合材料體積。該方法得到的孔隙率也是復(fù)合材料的體積孔隙率，由于其它缺陷如裂紋、分層等的存在對計算結(jié)果的影響，該方法檢測精度與密度測量法差不多，但是操作過程更為繁瑣、耗時，故其應(yīng)用效果不及密度法廣泛。4.3顯微照相法該方法是一種常用的對孔隙率做定量分析的方法。使用前先在所測試件上選取幾個截面，并進行拋光處理，然后放在配有一定數(shù)量方格參考物的顯微鏡下觀察試件的拋光截面，最后對落在方格交叉點上的孔隙進行計數(shù)。如圖1所示，得到面積孔隙率公式(3):式中:NV——為落在方格交叉點上孔隙點數(shù)；NT——顯微鏡下所有方格交叉點數(shù)。采用這種方法可以看出孔隙的種類、形狀、大小及分布。是目前孔隙率檢測方法中精度最高的，但由于其檢測的是局部截面的孔隙率，只能按統(tǒng)計方法來求出試件整體的孔隙率，因此要獲得高的精確度，必須對大量截面進行檢測。因此其精度只比其它方法相對來說略高一些。4.4射線檢測法該方法原理是利用X射線、V射線將缺陷圖像拍成照片，或用閃爍計數(shù)管等放射線探測器計量穿透的射線。射線檢測法可用來檢測復(fù)合材料中的夾雜、裂紋、孔洞。對于孔隙這類自然缺陷，大于0.1mm的才有可能檢驗出來，在檢測孔隙率方面因而不如超聲方法靈敏，且對人身安全有影響［7］。4.5超聲檢測法超聲檢測方法是一種尤為重要和有效的復(fù)合材料孔隙率檢測方法，復(fù)合材料孔隙率的無損評定方法有超聲衰減法、超聲聲阻抗法、導(dǎo)波法、極角背反射法等。4.5.1超聲衰減法超聲衰減法是目前孔隙率檢測中應(yīng)用最多的超聲檢測法，利用超聲衰減相對頻率變化的斜率與孔隙體積百分率之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，進而評價孔隙，也可測量超聲波通過復(fù)合材料后的衰減量來計算孔隙面積與聲束面積之比來評價孔隙。無論哪種方法其原理都是借助超聲衰減建立與孔隙率變化對應(yīng)關(guān)系，但這里需注意產(chǎn)生衰減的其它干擾因素，如其它缺陷產(chǎn)生的超聲波能量損失等。通過測定超聲衰減來間接評定復(fù)合材料的孔隙率，進而評定復(fù)合材料的質(zhì)量。這是目前用于碳纖維復(fù)合材料的最常用的無損檢測技術(shù)。4.5.2導(dǎo)波法對于復(fù)雜的構(gòu)件，由于結(jié)構(gòu)表面形狀的復(fù)雜性，以上講述的傳統(tǒng)超聲波測量方法不再有效。而導(dǎo)波由于衰減量低，與厚度無關(guān)，可以用來處理復(fù)雜外形構(gòu)件的孔隙率檢測問題。采用導(dǎo)波里的表面波可對次表面的孔隙率進行測量［8］。4.5.3極角背反射法科學(xué)家們做了很多工作研究背反射與孔隙率的關(guān)系，驗證說明超聲波背反射對纖維增強復(fù)合材料中的孔隙率比較敏感。J.Qu和J.D.Achenbach［9］對多重纖維增強材料中的孔隙率與背反射的關(guān)系進行了研究。在一定的理論模型基礎(chǔ)上，研究說明，孔隙率越高，背反射越高。在復(fù)合材料方位角為45°的倍數(shù)時，信號的背反射幅度對數(shù)值有很陡的變化，如圖2所示。Roberts［10］等人在前人研究的基礎(chǔ)上，又把極角背反射檢測孔隙率的方法推廣到多方向纖維增強疊層復(fù)合材料的孔隙率檢測中。通過各方位角的背反射掃描得出結(jié)論在較大極角和較低頻率的條件下，孔隙率的分辨率情況最好。4.5.4超聲聲阻抗法當(dāng)聲波垂直入射到平面界面上時，對聲壓分布起主要作用的是界面兩側(cè)材料的聲阻抗，所以聲阻抗也是超聲無損表征材料性質(zhì)的重要參量之一。聲阻抗在數(shù)值上等于試樣密度與聲速的乘積，而孔隙的出現(xiàn)會改變試樣的密度和聲速，進而改變材料的聲阻抗，因此孔隙率與聲阻抗存在著對應(yīng)關(guān)系。另外，聲阻抗可以綜合反映介質(zhì)密度和聲速的變化，相對于聲速，聲阻抗與材料結(jié)構(gòu)特點之間的相關(guān)性較大。因此，考察試樣聲阻抗與孔隙率之間的關(guān)系比單獨考察聲速更合理［11］。5結(jié)語由于孔隙的存在在復(fù)合材料中的不可避免性，以及它對復(fù)合材料力學(xué)性能的重大影響，因此孔隙的檢測方法及方法的準(zhǔn)確度就顯得及其重要。破壞性檢測方法由于在檢測后試件均己遭破壞，所以被檢測制品無法再使用。而在實際應(yīng)用中，由于對每一種工藝的產(chǎn)品，在復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不可能完全一樣，因此在孔隙率檢測方面只采用破壞性的方法是不經(jīng)濟的，多數(shù)時候也是不可能的。無論從經(jīng)濟性還是實用性角度考慮，都要求能在不損壞工件的條件下對復(fù)合材料制件進行無損檢測，分辨出合格品和不合格品。因而孔隙率的無損檢測技術(shù)也越來越受到人們的重視和廣泛的應(yīng)用。航空、航天和核工業(yè)等高新技術(shù)的發(fā)展，對安全性和可靠性的要求越來越高。實際上，沒有一種無損檢測方法可以檢測各種復(fù)合材料的所有缺陷，在實際應(yīng)用中，應(yīng)選用幾種不同的方法互相補充，以盡可能多地檢測出復(fù)合材料中的各類缺陷。參考文獻［1］羅明?碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料孔隙率超聲無損檢測［D］.大連:大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007?［2］游紅武.碳纖維復(fù)合材料孔隙率超聲檢測和角度調(diào)整步進電機驅(qū)動電源研制[D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，1993.[3]GhiorseSR.Effeetofvoidcontentonthemechanicalpropertiescarbon/epoxylaminates[J].SAMPE,1993(9):54-59.[4]劉志真，李宏運，益小蘇.孔隙率對聚酞亞胺復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].材料工程，2005(9):57-58.[5]劉玲，張博明，王殿富，等.聚合物基復(fù)合材料中孔隙率及層間剪切性能的實驗表征[J].航空材料學(xué)報，2006,26(4):115-118.[6]朱紅艷，李地紅，張東興，等.碳/環(huán)氧復(fù)合材料層壓板孔隙的形態(tài)研究[J].材料科學(xué)與工藝，2010,18(5):657-661.[7]宋立軍.復(fù)合材料孔隙率檢測方法及其實現(xiàn)技術(shù)的研究[D].杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.[8]何方成.復(fù)合材料孔隙率的超聲檢測方法探討[J].材料工程，2009(增刊1):57-60.[9]QuJ,AchenbachJD.BackscatterfromPorosityinC