树脂基复合材料的无损检测

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1、第2章树脂基复合材料的无损检测编者李家伟当前，工业界主要采用的树脂基复合材料其增强体是纤维，是纤维增强树脂基复合材料，本章主要对其无损检测进行叙述。复合材料与金属材料不同，一般不是先由原料制成材料再加工成制件，而是在制造制件的过程中形成材料的。纤维增强树脂基复合材料的制造工艺亦即制件的制造工艺有所谓真空袋热压罐法和树脂传递模塑成型法。2.1真空袋热压罐法制件的无损检测采用真空袋热压罐法可以制得高质量的制件，制件压制密实、厚度公差范围小，孔隙率低，许多大型和复杂的部件如机翼、卫星天线反射器、导弹载人体等都采用此法制

2、作。此法包括树脂浸渍、成型和固化三个步骤。2.1.1纤维的树脂浸渍纤维的树脂浸渍可在成型的前一道工序进行，也可将纤维浸渍树脂后经烘干或预聚形成一种中间材料即预浸料，再进行成型。(1)要求制作复合材料制件对预浸料有严格要求。纤维排列要整齐，无张力，树脂含量要符合要求且均匀稳定。既要求预浸料所浸渍的树脂中含有加热固化所需配比严格的固化剂、促进剂等，又要求有一定的贮存期，保持应有的粘接性，以保证在规定的成型工艺规范条件下生产出合格制品。通常在预浸料表面覆盖一层隔离纸，其作用主要是防止预浸料被污染及单向预浸料横向开裂，并

3、为下料时剪裁划线提供方便。(2)监测方法目前有两种方法常用于测定这些参量，一种是溶剂洗除法，即用诸如甲基-乙基酮（MEK）及/或亚甲氯化物将未固化树脂经预浸料中去除；另一种是树脂氧化法，即在高温下将树脂脱去（此法主要用于带玻璃纤维的预浸料），然后用原始的预浸料重量和最后的纤维重量来计算树脂含量（以重量计）和纤维重量。这两种方法是破坏性的，而且完成速度慢，易引起操作误差和污染环境。两种无损超声波方法是透射法和兰姆波法。1)透射法。这种方法可用于测定预浸料性能，多层（8~16层）预浸料试样可使用此设备。预浸料试样被置

4、于恒定压力（约1000~1400kPa）下约20s，在保持此压力的情况下，设备中的计算机对超声波速度和厚度分别进行测量。图113.2-1所示为接触式超声波透射测量系统，在测最过程中由发射换能器产生的超声波脉冲纵波穿过预浸料试样为接收换能器接收，所接收到的信号经放大、数字化，以计算机对每一试样用仪器所采集和处理的约100个超声波形和厚度数据进行分析，由此确定速度、频率和相对衰减信息。预浸料的超声波特性取决于预浸料中树脂和纤维力学性能之差。这是因为预浸料的两个组成物的力学性能、纤维/树脂比例的变化将导致预浸料对超声波

5、响应的改变，特别是预浸料树脂含量的增大将使在预浸料试样中超声波传播速度下降。而由于在预浸料试样中未固化树脂的粘弹性，试样的厚度和超声波传播时间在21s的固化时间内下降，而速度和中心频率上升。图13.2-2表明8层编织石墨/环氧树脂预浸件典型的固化曲线，对于特定类型的预浸料材料，一旦关系建立，就可用于评估同样材料预浸料的树脂含量。图13.2-3为编织石墨-环氧树脂预浸料超声波速度和树脂含量之间的关系。透射法的优越性是快速，一次测量约须40s，而破坏性试验须10~25min。此外，超声波测量无环境污染，操作误差较少，

6、主要局限性是对于单一取向石墨-环氧树脂预浸料测量准确度不够，主要是由于厚度太小。图13.2-1接触式超声波透射测量系统图13.2-28层编织石墨/环氧树脂预浸件典型的固化曲线2图13.2-3编织石墨-环氧树脂预浸料超声波速度和树脂含量之间的关系2)兰姆波法。开发兰姆波方法的主要目的是用以测量单向石墨-环氧树脂预浸料的性能。因为很多当今应用的先进复合材料用的是这种类型材料。此外，单向预浸料厚度小，兰姆波法是一种合适的方法（参阅本手册第3篇第5章的5.8节）。采用单发射单接收的双探头法，超声波由发射换能器产生，导向预

7、浸料，此时在预浸料中超声波是以兰姆波传播的，到达接收处为接收换能器采集。在测量时试样的取向是使波的传播方向与纤维方向相同，理由有二：首先，可获得较长的传播距离，以获得较好的测量灵敏度和分辨力；其次，因为超声波对弹性模量的改变是最敏感的，在纤维方向可得到较大的纤维/树脂弹性模量比。测量所用的兰姆波是最低阶对称模式（S0模），用一对中等阻尼的1MHz换能器产生和接收。图13.2-4为最低阶兰姆波的频率曲线，因为大多数单向预浸料厚度约0.13mm，就实用性而论，兰姆波的传播是非频散的，对预浸料的厚度并不敏感。因此，浸料

8、厚度的测量是没有必要的。预浸料是粘弹性材料，它的弹性和粘滞性会影响兰姆波的传播特性。但是，试验已经发明，S0模兰姆波能容易地在单向石墨/环氧树脂预浸料中传播300mm。图13.2-5表示兰姆波在单向石墨-环氧树脂预浸料行进时间和树脂含量之间的关系，将线性回归分析用于图中数据。3图13.2-4最低阶兰姆波的频率曲线*——对称模□——反对称模图13.2-5单向石墨-环氧树脂预