復(fù)合材料孔隙率的測定

復(fù)合材料孔隙率的測定方法2021/10/10星期日1.碳纖維復(fù)合材料是指把碳纖維作為增強(qiáng)相，與基體材料合理地進(jìn)行復(fù)合而制得的一種材料。其主要優(yōu)點(diǎn)在于材料的輕質(zhì)高強(qiáng)和輕質(zhì)高模的特性，這種特性通常用比強(qiáng)度和比剛度來表示的。比強(qiáng)度是強(qiáng)度與密度的比值，比剛度是彈性模量與密度的比值。這兩個(gè)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(qiáng)度、比剛度方面明顯的優(yōu)于傳統(tǒng)的航空材料鋁合金，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。2021/10/10星期日2.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。完全無孔隙的復(fù)合材料是沒有的。2021/10/10星期日3.2021/10/10星期日4.2021/10/10星期日5.孔隙率對(duì)復(fù)合材料性能的影響

孔隙率對(duì)碳纖維復(fù)合材料性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)復(fù)合材料層間剪切性能和彎曲性能的影響。。2021/10/10星期日6.孔隙率對(duì)層間剪切性能的影響研究表明，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(dá)到4%時(shí)，這種規(guī)律基本保持不變。通過試驗(yàn)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(shí)，剪切強(qiáng)度都在76MPa左右，孔隙率對(duì)剪切強(qiáng)度的影響不大，當(dāng)孔隙率大于1.5%時(shí)，剪切強(qiáng)度迅速下降，只有60%的保持率。當(dāng)孔隙率較低時(shí)(尤其低于4%時(shí))，剪切強(qiáng)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(qiáng)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?%增大到1%時(shí)，強(qiáng)度下降約9%，當(dāng)孔隙率增大到4%時(shí)，強(qiáng)度己經(jīng)下降32%.孔隙率在0%-4%，每增1%，剪切強(qiáng)度平均下降約8%，基本成線性關(guān)系。2021/10/10星期日7.孔隙率對(duì)彎曲性能的影響

隨著孔隙率的增加，彎曲強(qiáng)度逐漸下降，在孔隙率小1%時(shí)，彎曲性能相差不大，彎曲強(qiáng)度的保持率為90%左右，當(dāng)孔隙率大于3%時(shí)，彎曲強(qiáng)度的下降趨勢趨于平緩，彎曲強(qiáng)度保持率大約只有75%。當(dāng)孔隙率超過一定的數(shù)值時(shí)，復(fù)合材料就會(huì)由于強(qiáng)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(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、模量、抗壓強(qiáng)度、疲勞極限等均受到孔隙率的影響。2021/10/10星期日8.孔隙的形態(tài)對(duì)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(shí)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(duì)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研究了孔隙的形狀、尺寸和分布對(duì)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(shí)，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度降低了20%。2021/10/10星期日9.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(diǎn)是缺陷細(xì)微，甚至小到微米級(jí)，分布在樹脂或樹脂基纖維界面之間，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(huì)直接影響復(fù)合材料力學(xué)性能和可靠性。如孔隙，對(duì)于動(dòng)態(tài)的力學(xué)性能來說就是一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，在反復(fù)載荷下會(huì)成為一個(gè)疲勞源，對(duì)于靜態(tài)的力學(xué)性能來說，孔隙會(huì)造成材料內(nèi)部疏松并使力學(xué)性能下降。2021/10/10星期日10.產(chǎn)生孔隙的原因孔隙是復(fù)合材料成型過程中形成的空洞,是復(fù)合材料的主要缺陷之一。一般分為:延單纖孔隙(包括纖維內(nèi)孔隙)和層板間孔隙?？紫堵市∮?.5%時(shí),孔隙為球形:孔隙率大于1.5%時(shí),一般為柱形,孔隙與纖維軸向平行。產(chǎn)生孔隙的原因有:①樹脂與纖維浸潤性差,空氣難以擠壓出去②樹脂中的低分子組分在加工過程中的揮發(fā)③復(fù)合材料固化過程中樹脂的化學(xué)反應(yīng)中也存在揮發(fā)物④成型工藝不合理⑤孔隙含量和分布與樹脂的類型、沾度、組分、固化溫度、壓力及時(shí)間有關(guān)。2021/10/10星期日11.孔隙率的定義評(píng)價(jià)孔隙含量的定量指標(biāo)是孔隙率?？紫堵视袃煞N定義方法.面積孔隙率指單位面積所含孔隙的面積的百分比.體積孔隙率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(shí)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(jì)學(xué)原理，在某一體積內(nèi)，當(dāng)面積孔隙率統(tǒng)計(jì)的次數(shù)達(dá)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。2021/10/10星期日12.如何測定孔隙率？2021/10/10星期日13.孔隙率的檢測方法鑒于孔隙是評(píng)價(jià)復(fù)合材料的重要指標(biāo)，因此人們對(duì)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:.破壞性檢測法主要包括①密度測量法、②吸水法、③顯微照相法、④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(gè)比較常用的方法進(jìn)行介紹2021/10/10星期日14.①密度測量法2021/10/10星期日15.2021/10/10星期日16.由公式可知，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(shí)固化溫度、時(shí)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(duì)來說操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)，不需要太復(fù)雜儀器，因而得到廣泛應(yīng)用;缺點(diǎn)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。2021/10/10星期日17.本方法需要通過試驗(yàn)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，由公式可求得體積孔隙率為: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(duì)計(jì)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(shí)，故其應(yīng)用效果不及密度法廣泛。②吸水測量法2021/10/10星期日18.③顯微照相法

該方法是一種常用的對(duì)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(gè)截面，并進(jìn)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(duì)落在方格交叉點(diǎn)上的孔隙進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖所示，得到面積孔隙率公式:2021/10/10星期日19.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(jì)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(duì)大量截面進(jìn)行檢測。因此其精度只比其它方法相對(duì)