復合材料彈性模量的激光超聲測量方法研究?

樊程廣,潘孟春,羅飛路,羅詩途,譚項林

(國防科學技術(shù)大學機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073)

碳纖維增強復合材料具有比強度高、比模量高、抗疲勞性能好、耐高溫性能好、成型工藝簡單以及抗腐蝕等優(yōu)點,因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是在飛機的制造上[1].20世紀末,碳纖維增強復合材料在民用飛機上的比重達到20%,軍用飛機達到 30%～40%,直升機最高可達80%,進入21世紀以來,其在飛機上的比重進一步增加[2,3].此外,碳纖維增強復合材料被廣泛應(yīng)用于與人們生活密切相關(guān)的交通運輸、建筑、體育用品、醫(yī)護器材等領(lǐng)域,發(fā)揮了巨大的作用[1].伴隨著碳纖維增強復合材料的廣泛應(yīng)用,越來越多的學者從各個方面對其進行深入的研究來提高其性能,其中對材料彈性模量的測量是一個極為重要的方面,彈性模量是描述彈性階段材料力學行為的性能指標,由材料的彈性模量可以確定構(gòu)件的剛度,并能推測材料強度、硬度等力學性能[4].

常規(guī)的測量材料彈性模量的方法有靜態(tài)拉伸法和動態(tài)法(也稱動力學方法),靜態(tài)拉伸法需要對被測試件進行拉伸、扭轉(zhuǎn)加載,具有破壞性,且誤差較大;動態(tài)法是測量材料彈性模量的標準方法,但是操作復雜、測量時間長、測量結(jié)果和操作者的熟練程度有關(guān)[5].利用激光超聲來測量材料彈性模量是一種新的測量方法,超聲聲速與固體材料的彈性模量有關(guān),通過測量超聲聲速,根據(jù)超聲聲速與彈性模量之間的固有關(guān)系可以反演出彈性模量.利用激光超聲測量彈性模量,對材料無損傷,并且測量簡單方便,測量精度高[6-9].

本文利用激光超聲方法,根據(jù)超聲聲速與固體材料彈性模量之間的固有關(guān)系,通過對超聲聲速的測量,獲取碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的彈性模量.

1 彈性模量的激光超聲測量原理

1.1 激光超聲激發(fā)機理

激光超聲是利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時熱作用,在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū),形成熱應(yīng)力,在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波.根據(jù)入射到物體表面的激光功率密度的不同,激光脈沖在物體表面產(chǎn)生的這種熱效應(yīng)分為熱彈效應(yīng)和燒蝕效應(yīng),其原理如圖1所示[10-12].

圖1 熱彈效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of theroelastic regime and ablative regime

熱彈效應(yīng):當入射光的功率密度較低,材料表層由于吸收光能導致局部升溫,引起熱膨脹而產(chǎn)生表面切向應(yīng)力,同時激發(fā)出橫波、縱波和表面波.在熱彈性區(qū),激光產(chǎn)生的超聲信號幅值與吸收激光的能量成正比.由于入射光的功率密度較低,因此表層的局部升溫沒有導致材料的任何變形,因而具有嚴格無損檢測的特點.

燒蝕效應(yīng):當入射光的功率密度逐漸升高,材料表層的瞬態(tài)升溫將逐步導致材料的熔化、汽化和形成等離子體,這時將有一小部分表面物質(zhì)被噴射出來,從而給材料表面施加一個非常高的反作用力,導致聲波的產(chǎn)生.由于入射光的功率密度較高,因此可以獲得大幅度的超聲信號,激發(fā)效率也高,但是會對材料表面產(chǎn)生損傷,因此只能用于某些特定的場合.

熱彈效應(yīng)由于對材料表面不存在損傷,并且可以產(chǎn)生各種波形,因此應(yīng)用較多.

1.2 測量原理

根據(jù)固體力學理論可知,超聲波在固體材料中傳播時的縱波速度CL、橫波速度CS與材料本身的密度 ρ、彈性模量E以及泊松比μ有關(guān),數(shù)學關(guān)系式如式(1)和(2)所示.

由式(1)和(2)可得彈性模量和縱波速度、橫波速度以及密度的關(guān)系,如式(3)所示.

由式(3)可知,若同時測得超聲波在固體材料中的縱波速度、橫波速度以及材料的質(zhì)量和體積,便可得到固體材料的彈性模量.

利用脈沖反射法測量激光超聲的傳播速度:激光脈沖垂直照射試件表面,在試件中激發(fā)超聲波,對超聲波進行非接觸式檢測,根據(jù)回波脈沖之間的時間差以及試件厚度,便可求得超聲波的傳播速度.計算公式為

式中:h為試件厚度;tn為第n個反射回波脈沖到達時間;c為超聲波速度.

因此,只要測得試件的厚度以及反射回波脈沖到達的時間,就可以測得激光超聲的傳播速度,進而在試件密度已知的情況下,求得試件的彈性模量[13,14].

1.3 測量系統(tǒng)

彈性模量的激光超聲測量系統(tǒng)原理如圖2所示.Nd∶YAG脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)由分光鏡分為兩路,一路經(jīng)過光電探測器作為實驗觸發(fā)信號,一路通過匯聚透鏡聚焦成線光源投射到試件表面.將分光鏡和匯聚透鏡固定在由步進電機控制的精確掃描平臺上,實現(xiàn)激光線源沿試件表面的精確掃描.非接觸探頭固定,用于接收激光超聲信號,經(jīng)過解調(diào)器的解調(diào)作用,在數(shù)字示波器上顯示,從而完成整個檢測過程.

圖3(a)為彈性模量的激光超聲測量系統(tǒng)實物圖.測量系統(tǒng)中用于激發(fā)超聲波的激光器選用Q值可調(diào)的Nd∶YAG脈沖激光器,脈沖寬度為 4 ns～6 ns,重復頻率10 Hz,單脈沖能量最高可達180 mJ,輸出線偏振光;用于接收激光超聲的是美國IOS公司生產(chǎn)的AIR-1550-TWM激光超聲接收儀,接收儀實物圖如圖3(b)所示,接收儀主要由4個模塊組成:連續(xù)激光器(用于發(fā)出探測激光)、分光器(分光比可調(diào))、解調(diào)器和探頭[15];選用的試件材料是碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料,其中樹脂含量32%,每層厚度0.15 mm,層與層之間采用垂直鋪設(shè)的方法,試件尺寸為15 cm×10 cm×0.1 cm,材料選用干法預浸料成型,干法預浸料是指采用熔融態(tài)樹脂直接與單向碳纖維結(jié)合制備的預浸料,其具有揮發(fā)分低、含膠量準確均勻、纖維排列整齊等特點,采用干法預浸料成型的復合材料,具有孔隙率低、纖維取向性好等優(yōu)點,因此可有效提高復合材料的力學性能及產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量[16].

圖2 激光超聲測量系統(tǒng)原理圖Fig.2 The schematic diagram of the laser-generated ultrasonic measurement system

圖3 實物圖Fig.3 The substance diagram

2 測量結(jié)果及分析

實驗過程中,通過控制精確掃描平臺移動激光線源,調(diào)節(jié)激發(fā)位置和接收位置的距離,從而實現(xiàn)激光線源掃描檢測,檢測結(jié)果如圖4所示.從檢測結(jié)果中提取超聲信號,用于計算試件彈性模量,提取的縱波信號如圖5所示.

圖4 激光線源掃描檢測結(jié)果Fig.4 The scanning result of laser linear source

圖5 縱波信號Fig.5 The longitudinal wave

根據(jù)式(3)和式(4)可以得到碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料試件的彈性模量,計算結(jié)果見表1.

表1 彈性模量計算結(jié)果Tab.1 The result of elastic modulus

根據(jù)誤差分析理論,試件彈性模量的誤差ΔE的計算公式為

式中:Ei為第i次測量結(jié)果;ˉE為彈性模量平均測量值;n為測量次數(shù).

經(jīng)過計算,求得彈性模量平均值ˉE為9.799 GPa,誤差ΔE為0.605 9 GPa.廠家提供的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料彈性模量的參考值為10.091 GPa,采用動態(tài)法進行測量.經(jīng)過比較,實驗測得的實際值與廠家提供的理論參考值相吻合,偏差在3%以內(nèi).

3 結(jié) 論

本文使用激光超聲方法來測量碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料試件的彈性模量,詳細介紹了測量原理和測量系統(tǒng),相比較常規(guī)的靜態(tài)拉伸法和動態(tài)法,激光超聲測量方法具有對材料無損傷,測量快速方便、測量精度高的優(yōu)點.通過控制測量系統(tǒng)中的精確掃描平臺來移動激光線源,調(diào)節(jié)激發(fā)位置和接收位置的距離,從而實現(xiàn)激光線源掃描檢測,獲取豐富的實驗數(shù)據(jù).實驗結(jié)果表明,利用激光超聲測量系統(tǒng)得到的試件彈性模量,其誤差較小,與動態(tài)法得到的理論參考值相吻合,偏差在3%以內(nèi).

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