纤维增韧陶瓷基复合材料均匀性评价方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波评价方法，具体涉及一种超声波评价复合材料均匀性方 法。
【背景技术】
[0002] 陶瓷材料具有高比强度、高比模量、耐高温等优良特性，在很多领域里都有着广阔 的应用前景，从航空推进技术的发展历程来看，发动机关键部件的结构及材料使用趋向于 整体化、轻质化。但这种材料同时也具有强脆性，从而制约了其应用，往其中复合纤维而成 为纤维增强复合材料，可以增加其韧性。陶瓷基复合材料在航空、航天、国防等众多领域有 着巨大的应用价值。针对我国在CFCC的无损检测研究中存在的方法少和检测能力受限等问 题，开展对CFCC的超声检测方法研究是非常必要的。如何找到一种合适的，满足要求的无损 检测方法，具有重要意义。目前，国内外主要采用红外和X射线的方法进行检测，红外热波法 能够获得一些材料特征，但检测深度不足;X射线法具有明显优势，但X射线检测存在沿射线 方向累加效应，使得该方法无法检测到盲孔缺陷沿深度方向的分布。无损检测的另一重要 方法一一超声检测，在陶瓷基复合材料领域的研究应用较少。通过分析声学特征参量一一 声速、声衰减及非线性与材料特性的关系来评估材料质量，并进行声速、衰减、非线性系数 测量及成像，实现材料均匀性的超声评价。
【发明内容】
[0003] 本发明解决复合材料不均匀性超声评价的问题，提出用材料声学特性来评价材料 均匀性，该方法既容易达到，又能准确反映材料内部均匀性。
[0004] 本发明是这样来实现的，纤维增韧陶瓷基复合材料均匀性评价方法，其特征在于 方法步骤如下： (1) 将待检材料划分成小方格，使用一发一收穿透法测量每一个方格点的声速，检测过 程为:脉冲发生器向换能器发射超声波信号，经耦合剂进入待检材料中，超声波到达材料底 面后被接收换能器接收，接收信号在示波器上进行显示，读取接收信号信息，计算出材料声 速。记录每一点的声速后，使用matlab插值法对数据进行处理，将各点声速进行成像，用声 速的分布图反映材料均匀性； (2) 将待检材料放入水浸超声波检测系统，进行评价;评价过程为:将待检材料放入超 声波检测系统，脉冲发生器向换能器发射超声波信号，经水介质进入待检材料中，超声波到 达材料底面后被接收换能器接收，再经换能器的压电转换效应传回脉冲发生器，所有发射 与接收信号均由脉冲发生器传给数字示波器进行显示与分析。利用软件对结果进行处理， 用接收波幅值成像处理结果，闸门高度根据实际情况进行调整，使试块上各个部分的衰减 都得以体现； (3) 将待检材料划分成小方格，使用RAM-5000-SNAP非线性超声测试系统测量材料的二 阶、三阶非线性系数;评价过程为：由非线性超声测试系统产生脉冲周期，发射激励信号，依 次经过衰减器，高能低通滤波器后，作用在所选用的铌酸锂镜片上，使其激发出大振幅超声 波，通过耦合剂耦合后进入待检材料中，大振幅超声波与材料中的孔隙等微缺陷相互作用 后，由宽带探头接收，经过高通滤波器滤波后回到RAM-5000-SNAP非线性超声测试系统进行 信号处理和谐波分析。计算出二阶、三阶非线性系数后，再用matlab对其进行成像。
[0005]进一步的，所述声速测量方法:首先需要根据样品上各点测量得到的时域图，读出 超声信号起跳点与一次回波之间的时间间隔t，又知声波在起跳点与一次回波之间穿过样 品整个厚度D，故声速为：
(1) 进一步的，所述非线性系数测量方法:单一频率正弦超声波将与介质间产生非线性相 互作用，从而产生高次谐波，可以用二阶非线性系数和三阶非线性系数分表征材料的非 线性效应，定义为：
其中k=_/c为波数，朽为角频率，e为波速，y：|丨:，和:為分别为基波，二次谐波 幅值和三次谐波幅值，I为波传播的距离。
[0006]进一步的，所述步骤(1)中的超声波检测系统，主要包括脉冲发生器、换能器、数字 示波器;其特征在于:脉冲发生器分别连接数字示波器和两个换能器。
[0007]进一步的，所述小方格，其尺寸根据换能器尺寸进行调整。
[0008]进一步的，所述穿透法，是一种一发一收的超声检测方法。穿透法中，声波能量只 穿透工件一次便被探头接收，接收信息中包含了试块内部情况，对于这种高衰减材料，在检 测过程中减少了衰减，使声速和幅值的测量更加准确，波形也更加清晰便于测量。
[0009]进一步的，所述声速评价材料均匀性，由于材料的各向异性，在厚度方向上弹性模 量、泊松比都未知，所以无法计算出理论声速，只能通过实际测量获得。在材料制备过程中， 由于制作工艺过程的不可控性，会造成材料密度不均匀分布，从公式
· 可以发现，通过对材料每点声速进行测量，可以反应出材料的密度不均匀性，从而对材料的 质量进行评价。
[0010] 进一步的，所述衰减评价材料均匀性，声波在材料中的衰减y为：
其中，％、备、分别为与陶瓷、纤维、两种不同孔隙对应的相关常数，f为 声波的频率，ft.分别为陶瓷、纤维、孔隙的含量，为两种孔隙占 总孔隙的比例，可通过显微观察测得，而也为常数，所以上式可简化为：
公式(5)表示衰减系数与孔隙之间的关系，所以可以根据材料的衰减特征来评价材料 的孔隙含量。而材料的衰减可以体现在接收波幅值的变化上，通过对材料接收波幅值的变 化成像，可以得到材料材质均匀性的分布。
[0011] 本发明的有益效果在于： (1).该方法所需参数通过实验容易得到。
[0012] (2).该方法中所述穿透法解决了材料衰减大无法获得底波的问题。
[0013] (3).提取材料声学参数可以解决材料不均匀性评价的问题。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的声速评价材料均匀性结构示意图。
[0015]图2为本发明的声衰减水浸超声系统表征均匀性示意图。
[0016]图3为本发明的非线性表征材料均匀性系统示意图。
[0017] 其中，图1中，1为脉