鋪縫液體成型復(fù)合材料孔隙率與超聲衰減系數(shù)關(guān)系研究

劉偉，李紅強(qiáng)，舒巍，鄭瑩瑩

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212314)

0 引言

孔隙對復(fù)合材料力學(xué)性能有很大影響，在工程應(yīng)用中，人們希望通過無損的方式建立孔隙率與超聲參數(shù)之間的關(guān)系，從而評估復(fù)合材料中的孔隙率。主要檢測方法為聲速法[1]、聲衰減法及阻抗法[2]，其中以聲衰減法的孔隙率超聲檢測研究最多。

由于鋪縫工藝是近些年才發(fā)展起來的技術(shù)[3]，雖然國內(nèi)外對鋪縫液體成型復(fù)合材料缺陷做了一定的研究，但相對較少，對于工程應(yīng)用所關(guān)注的孔隙率與超聲特征參數(shù)的關(guān)系未有過研究，因此有必要對鋪縫液體成型復(fù)合材料的缺陷進(jìn)行檢測與識別研究。本文將利用超聲無損檢測設(shè)備測量每組孔隙率試樣下孔隙引起的超聲衰減系數(shù)αp，利用金相顯微鏡觀察測量每組孔隙試樣的實(shí)際孔隙率Pv，通過回歸分析，建立鋪縫液體成型復(fù)合材料孔隙率與孔隙引起的超聲衰減系數(shù)之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用江蘇恒神股份有限公司制造的8塊含有不同孔隙率的鋪縫液體成型復(fù)合材料層壓板。其孔隙率通過金相顯微鏡法測得，分別為0.09%、0.13%、0.36%、1.19%、1.76%、1.97%、2.31%和2.49%。

1.2 無損檢測

采用接觸式反射法超聲C掃系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。該超聲C掃系統(tǒng)帶有機(jī)械運(yùn)動支架，可快速進(jìn)行平面掃查，探頭為5 MHz，64晶片。

圖1 接觸式反射法超聲C掃系統(tǒng)

對于含有孔隙的復(fù)合材料，超聲總衰減包括系統(tǒng)總衰減、在復(fù)合材料上表面的衰減、下表面的衰減以及在內(nèi)部的衰減。其中內(nèi)部衰減包括材料非孔隙引起的衰減和孔隙引起的衰減Δp，超聲衰減通常用衰減系數(shù)α表示，單位為dB/mm,即單位厚度試板的聲衰減量，孔隙引起的衰減系數(shù)可以用αp表示。

根據(jù)上述內(nèi)容，則有：

αp=Δp/x

(1)

其中，x為試板厚度，單位為mm。

通?？梢酝ㄟ^超聲掃描設(shè)備測量得到不同孔隙率試板的總衰減量Δt(也稱絕對衰減量)，對于同一批復(fù)合材料，在試板厚度、表面粗糙度以及超聲設(shè)備狀態(tài)保持一致的情況下，可認(rèn)為不同試板的超聲衰減量不同主要是由孔隙率不同造成的。由于試板采用RTM工藝屬于閉模成型，厚度主要依靠模具進(jìn)行控制，不同試板之間的厚度能夠保持較好的一致性。

因此可以用不同孔隙率下的絕對聲衰減量減去零孔隙率的超聲衰減量Δ0，從而得到該試板的相對聲衰減量，即孔隙引起的聲衰減量Δp，則有：

Δp=Δt-Δ0

(2)

根據(jù)公式(1)和公式(2)，可以得到孔隙引起的聲衰減系數(shù)：

αp=(Δt-Δ0)/x

(3)

圖2 孔隙率試板超聲衰減量取點(diǎn)示意圖

超聲衰減量測量的操作步驟：將超聲探頭分別移動到不同孔隙率試板的上方，調(diào)節(jié)增益，使得試板底面回波幅度達(dá)到滿屏的80%，讀取衰減器顯示數(shù)值Δi，作為該點(diǎn)處的聲衰減量；重復(fù)上述操作，每隔7 mm左右進(jìn)行衰減量的測量。每塊試板測量49個(gè)點(diǎn)(n=1，2，…，49)，計(jì)算該試驗(yàn)件所有測量點(diǎn)聲衰減量的平均值Δt，作為該試板的絕對聲衰減量，則有：

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲衰減系數(shù)與孔隙率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于絕對零孔隙率的試驗(yàn)件很難得到，因此采用孔隙率最接近零孔隙率的試樣的聲衰減量作為基準(zhǔn)聲衰減量，即孔隙率為0.09%的試樣聲衰減量作為Δ0。根據(jù)公式(3)，計(jì)算得到不同孔隙率試驗(yàn)件的由孔隙引起的聲衰減系數(shù)αp，詳見表1。

表1 不同孔隙率試板的超聲衰減系數(shù)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，以孔隙率Pv為橫坐標(biāo)，聲衰減系數(shù)αp為縱坐標(biāo)，得到聲衰減系數(shù)αp隨孔隙率Pv的變化曲線，如圖3所示?？梢钥闯觯曀p系數(shù)αp隨著孔隙率Pv的增加而增大，當(dāng)孔隙率從0.09%增加至1.76%時(shí)，聲衰減系數(shù)從0增加至1.66 dB/mm，變化率為0.99(dB/mm)/%。而當(dāng)孔隙率從1.76%增加指2.49%時(shí)，聲衰減系數(shù)從1.66dB/mm增加至4.54 dB/mm，變化率為3.94(dB/mm)/%，變化率不一致，且相差4倍，可以看出聲衰減系數(shù)隨孔隙率變化并非簡單的線性關(guān)系。

圖3 超聲衰減系數(shù)αp與孔隙率Pv實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 孔隙率超聲衰減模型的建立與分析

從圖3可以看出，在孔隙率為1.76%前后聲衰減系數(shù)隨孔隙率的變化速率存在明顯差異，因此可以以孔隙率1.76%為界限，對于孔隙率在0.09%～1.76%和孔隙率在1.76%～2.49%區(qū)間，分別對孔隙率Pv與聲衰減系數(shù)αp之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 超聲衰減系數(shù)αp隨孔隙率Pv變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與回歸分析結(jié)果比較

根據(jù)以上分析，實(shí)驗(yàn)擬合所用模型如公式(5)和(6)所示，說明在孔隙率1.76%附近，大于1.76%和小于1.76%的情況下對聲衰減的影響是不同的。

αp=b1+a1Pv(Pv≤1.76%)

(5)

αp=b2+a2Pv(Pv>1.76%)

(6)

公式(5)和(6)中，a1、a2、b1、b2為特定超聲波頻率下的常數(shù)。回歸分析結(jié)果為：

αp=-0.000 4+0.98Pv(Pv≤1.76%)

(7)

αp=-4.47+3.66Pv(Pv>1.76%)

(8)

即：

(9)

(10)

對于以上回歸分析結(jié)果，一般用測定系數(shù)R2來評價(jià)相關(guān)程度，R2越大(R2≤1)，表明相關(guān)程度越高，即孔隙率Pv與聲衰減系數(shù)αp的線性相關(guān)性越大。當(dāng)孔隙率在0.09%～1.76%范圍回歸分析結(jié)果的測定系數(shù)R2=0.982；當(dāng)孔隙率在1.76%～2.49%范圍內(nèi)回歸分析結(jié)果的測定系數(shù)R2=0.934。這說明孔隙率與聲衰減在各自范圍具有較高的線性相關(guān)性，而1.76%～2.49%范圍的決定系數(shù)相對較低，說明在較高孔隙率條件回歸分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的偏差相對較大。

對于圖4的結(jié)果，難以從理論上做出令人滿意的解釋，因?yàn)閺?fù)合材料孔隙率對超聲衰減的影響是復(fù)雜的，主要是因?yàn)榭紫稁缀涡蚊驳膹?fù)雜性。聲波在復(fù)合材料傳播時(shí)，孔隙對超聲波的衰減通常表現(xiàn)為散射衰減，根據(jù)孔隙直徑D與超聲波波長λ的相對大小，根據(jù)晶粒的超聲散射機(jī)制[4]，將超聲散射分為三種散射：瑞利散射、隨機(jī)散射和漫散射。如圖5所示[5]，瑞利散射發(fā)生在孔隙尺寸較小(D/λ<1/3)較小的情況下，隨機(jī)散射發(fā)生在孔隙尺寸較大(3>D/λ>1/3)的情況下，漫散射發(fā)生在孔隙尺寸更大(D/λ>3)的情況下。對于本實(shí)驗(yàn)所研究的鋪縫液體成型復(fù)合材料而言，所用超聲探頭波長λ=570 μm。根據(jù)上述散射理論，當(dāng)孔隙尺寸小于190 μm時(shí)，孔隙引起的散射主要為瑞利散射。在這種情況下，由于超聲波波長遠(yuǎn)大于孔隙直徑，聲波可以繞過孔隙繼續(xù)傳播，因此瑞利散射所造成的聲波能量衰減很小，這時(shí)孔隙對聲衰減的貢獻(xiàn)較小。當(dāng)孔隙大于190 μm時(shí)，孔隙引起的散射主要為隨機(jī)散射和漫散射，這種情況下散射所引起的聲波能量消耗較大，孔隙對聲衰減的貢獻(xiàn)較大。

圖5 晶粒超聲衰減機(jī)制

為了進(jìn)一步分析孔隙尺寸對聲衰減的影響，由于孔隙最小直徑平行于超聲波的傳播方向，其對聲波的散射變化的影響可以忽略[6]，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了不同孔隙率試樣孔隙最大直徑大于190 μm數(shù)量占該試樣所有孔隙數(shù)量的百分比。圖6為不同孔隙率下大于190 μm的孔隙數(shù)量百分比。當(dāng)孔隙率在0.09%～1.19%時(shí)，大于190 μm的孔隙數(shù)量百分比均在20%以下，引起漫散射的孔隙數(shù)量較少。此時(shí)以瑞利散射為主導(dǎo)，在此孔隙率范圍內(nèi)由孔隙引起的聲衰減系數(shù)增加幅度相對緩慢。當(dāng)在孔隙率1.19%～2.49%時(shí)，大于190 μm的孔隙數(shù)量百分比較高，達(dá)到50%左右，并在此孔隙率范圍內(nèi)所占百分比呈現(xiàn)上升趨勢。此時(shí)漫散射占比增加，在此孔隙率范圍內(nèi)孔隙引起的聲衰減系數(shù)增加幅度相對較大。

圖6 不同孔隙率大于190 μm的孔隙數(shù)量百分比

需要說明的是，以上回歸分析結(jié)果是在本實(shí)驗(yàn)條件下得到的，包括特定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、特定的探頭以及特定工藝條件下得到的復(fù)合材料，一旦條件發(fā)生變化，可能得到不同的結(jié)果，這也是利用超聲無損檢測進(jìn)行孔隙率測量的難點(diǎn)以及局限性。實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果在孔隙率大于1.76%以上的相對偏差較大，但復(fù)合材料窗框孔隙率要求一般在1.5%以內(nèi)，大于1.5%的孔隙率的情況在實(shí)際工程應(yīng)用并被不關(guān)注。因此，本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一定程度上可以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文研究了鋪縫液體成型復(fù)合材料孔隙率Pv與聲衰減系數(shù)αp的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在孔隙率小于2.5%的情況下，以1.76%為界限，αp與Pv存在雙線性關(guān)系。這在一定程度上可以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，并從孔隙對超聲波的散射機(jī)理層面解釋了出現(xiàn)這種雙線性關(guān)系的可能的原因。