一种确认碳纤维增强复合材料孔隙率与超声衰减系数关系的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种确认碳纤维增强复合材料孔隙率与超声衰减系数关系的方法，其 属于超声无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 碳纤维增强复合材料（CarbonFibreReinforcedPlastics,CFRP)具有高比强 度、耐高温、耐腐蚀等优势，在航空航天等领域得到广泛应用。由于CFRP在生产过程中会不 可避免地产生孔隙，孔隙的存在将直接影响材料的力学性能。航空航天领域通常要求复合 材料构件的孔隙率在2%以下，某些主承力构件甚至要求孔隙率低于1%。因此，工程应用 中亟需一种准确可靠的CFRP孔隙率无损检测方法。
[0003] 超声衰减法原理明确、测试方法简单、受纤维含量影响较小，因此成为目前最普遍 的CFRP孔隙率检测方法。采用该方法检测CFRP孔隙率的前提和基础是得到准确可靠的 P-a关系，而获得该对应关系的主要研宄方法是建立含孔隙复合材料超声散射衰减模型， 通过理论或数值计算方法探讨P-a关系。文献调研表明，不同阶段研宄工作的差别主要体 现在对孔隙形貌的定义和描述方面，按照孔隙形状的差异，可将模型分为确定性和非确定 性两种，前者主要包括以下三种：（a)B.G.Martin建立的离散分布球形孔隙模型；(b)Hale 和Ashton以P= 1. 5%为界建立的球形/圆盘孔隙模型；（c)Hsu和Nair建立的具有椭圆 截面的柱状孔隙模型。非确定性模型指的是林莉等基于统计学方法及随机介质理论建立的 随机孔隙模型（RandomVoidModel，RVM)。对模型的不断改进提高了P-a关系实验与计算 结果之间的符合程度，特别是由RVM得到的数值计算结果与实验结果符合程度明显优于前 期的确定性模型。但是上述模型的计算结果与实验结果仍然存在差距，且不同学者在相同 孔隙率下计算得到的a也不尽相同。此外，近年来研宄表明，CFRP孔隙形貌对超声散射衰 减存在影响，由于孔隙形貌差异，同一孔隙率下得到的a值可能有所不同。
[0004] 上述研宄表明，P与a之间可能存在多值对应关系，本发明的目的是建立能够准 确、真实地描述孔隙形貌特征的孔隙模型，从而更明确地揭示孔隙率与超声衰减系数之间 的多值对应关系。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是基于真实形貌孔隙模型确认CFRP孔隙率与超声衰减系数之间的 多值对应关系。为了获得更为准确可靠的P-a关系，从而深刻阐述CFRP复杂形貌孔隙的 超声散射衰减机理，本发明建立了能够充分反映CFRP孔隙形貌的真实形貌孔隙模型，并借 助FDTD方法确认P与a之间的多值对应关系。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种确认碳纤维增强复合材料孔隙 率与超声衰减系数关系的方法，其特征是：依据CFRP孔隙形貌的金相照片建立真实形貌孔 隙模型，经过数值计算确认CFRP孔隙率与超声衰减系数之间多值对应关系，它采用的步骤 如下：
[0007] (a)超声信号数据采集
[0008] 采用超声C扫描检测方法对CFRP孔隙率试样的一次底面回波进行扫查，扫描图像 中不同的颜色对应不同的一次底面回波幅值，选择扫描图像中巾多6_的颜色分布均匀区 域为研宄对象，对其进行时域波形采集和分析处理，得到该研宄对象的超声衰减系数实验 值amea;
[0009] (b)真实形貌孔隙模型建立及孔隙率统计
[0010] 将选定的研宄对象从样品上切割下来，沿平行于纤维铺设方向逐层磨削并拍摄金 相照片，获得具有CFRP真实孔隙形貌的连续切片照片，将原始金相照片的亮度、对比度以 及黑暗边界调整后，对图像进行中值滤波预处理和二值化处理可得到含基体及孔隙形貌信 息的二值原位图像，将CFRP原位图像中的孔隙和基体赋予不同的材料属性，并采用时域有 限差分（FiniteDifferenceTimeDomain,FDTD)方法对其进行网格离散化即可建立真实 形貌孔隙模型，最后，根据灰度值的不同统计出真实形貌孔隙模型中的孔隙率P;
[0011] (c)超声衰减系数数值计算
[0012] 采用FDTD方法将步骤（b)得到的真实形貌孔隙模型进行数值计算，得到超声波在 厚度为d的真实形貌孔隙模型中传播的入射波声压P(l及一次底面反射回波声压pi，利用公 式（1)求得该模型的超声衰减系数模拟值asim，
[0014] (d)CFRP孔隙率与超声衰减系数关系的建立
[0015] 将步骤（b)统计出的CFRP孔隙率P与步骤（c)数值计算得到的超声衰减系数模 拟值a^建立关系，最后，将a_与asini进行对比，由此验证P与a之间多值对应关系的 准确性。
[0016] 本发明的效果和益处是：基于真实形貌孔隙模型确认CFRP孔隙率与超声衰减系 数之间存在多值对应关系。与现有的规则孔隙模型和RVM模型相比，本发明所依据的模型 是更为准确可靠的，与实际孔隙分布、取向、位置等信息一致的真实形貌孔隙模型。同时，得 到的CFRP孔隙率与超声衰减系数之间的对应关系不再是以往的确定性、唯一的对应关系， 而是多值对应关系。借助该方法首次确认了CFRP中孔隙形貌与超声衰减系数之间的多值 对应关系，并为深刻阐述CFRP复杂形貌孔隙的超声衰减机理提供了更有效的模型基础。
【附图说明】
[0017] 图1是CFRP孔隙率与超声衰减系数之间多值对应关系。
[0018] 图2是底板反射回波法测量超声衰减系数示意图。
[0019] 图3是连续切片的获取示意图。
[0020] 图4是中值滤波处理后CFRP图像的灰度分布直方图。
[0021] 图5是真实形貌孔隙模型示意图。
[0022]图6是计算模型示意图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明基于真实形貌孔隙模型确认CFRP孔隙率与超声衰减系数之间的多值对应 关系结果如图1所示。得到该对应关系的具体步骤如下：
[0024] (a)超声衰减系数的测量
[0025] 采用超声C扫描检测方法，以水为耦合剂，利用底板反射回波法对CFRP层压板进 行a值的测量（如图2)。其中样品厚度为d，样品上表面反射声压为？1，样品一次底面回 波声压为P2，钢板上表面回波声压为P3，水和钢板界面处的声压反射系数为R13。推导可得 CFRP样品的超声衰减系数实验值