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三种碳纤维复合材料孔隙率分析检测的对比研究

龚楚  
【摘要】:孔隙是碳纤维增强聚合物基复合材料的一种微缺陷,含量、形状和分布均会影响复合材料的力学性能和使用寿命。以T700/QY9611、T700/5429、B8-250三种牌号的碳纤维复合材料层压板为研究对象,用自制超声C扫系统检查层压板是否存在缺陷,记录正常区域的衰减系数;用金相法标定含孔隙层压板的孔隙率,通过光学显微镜和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察孔隙的形状、尺寸及其分布的特征。采用纳米焦点计算机断层法(micro-CT)标定复合材料的孔隙率,对原始扫描图像进行反色、对数、滤波处理后,用VG Studio软件对扫描后的断层图像进行三维重建,再通过阈值分割统计出每处孔隙的尺寸参数(直径、面积、体积、球度等)。以超声衰减系数和二阶非线性系数为孔隙率的衡量指标,推导出孔隙率和超声衰减系数的数学关系式,以及二阶非线性系数随孔隙率的变化规律。对比分析了用金相法、micro-CT和超声衰减法标定孔隙率的精度和影响因素,研究了复合材料厚度和铺层方式对孔隙率的影响。金相法标定出T700/QY9611、T700/5429、B8-250碳纤维复合材料的孔隙率分别为0.62%、1.64%、2.89%。光学显微镜和SEM观察发现大尺寸孔隙截面呈椭圆形,集中分布在层间树脂中;小尺寸孔隙截面呈圆形,大多随机分布在纤维束中。micro-CT法标定出T700/QY9611、T700/5429、B8-250碳纤维复合材料的孔隙率分别为1.13%、1.88%、2.49%。参数统计结果表明孔隙的尺寸越小,形状越趋向于圆形;尺寸较大的孔隙形状呈长条形,球度较小。统计结果与光学显微镜和FE-SEM观察结果一致。孔隙率越高,超声衰减系数和二阶非线性系数越大;存在临界孔隙率,临界点前后超声衰减系数和孔隙率间的关系式不同。当孔隙率较低时,由衰减公式计算出的孔隙率和金相法测量的孔隙率间的相对误差较大;随着孔隙率的升高,两者之间的误差变小。金相法标定孔隙率的精度偏高,在实际工程技术领域,以金相法标定结果建立的超声衰减模型可用于检测复合材料孔隙率是否超出设计要求。在相同的工艺条件下,复合材料厚度越大,孔隙率越高;交叉铺层方式的复合材料层压板的孔隙率高于单向复合材料层压板。


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