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1、毕业设计（论文)开题报告题目: 碳纤维复合材料涡流检测方法研究专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 4 月 9 日一、选题的依据及意义： 众所周知，随着科技的发展，碳纤维增强型复合材料因其优越的性能在飞机制造、汽车制造、化工、造船与电气设备等领域受到高度重视，尤其是在航空、船舰、核能设备等领域作为一种新型的非金属材料，应用越来越广泛。它具有诸如低密度、耐高温、高韧性、高化学稳定性、高导热性、高设计容限以及对热冲击不敏感等优良特性。然而，复合材料结构在制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷和遭受损伤。并且，碳纤维复合材料在损坏之
2、前几乎没有先兆，其破坏具有突然性，这往往会造成严重的后果。因此，碳/碳复合材料零件内部缺陷的无损检测对于一些重要行业的特殊应用具有非常重要的意义。现有的比较成熟的检测方法有红外热成像检测、X射线检测、超声检测、激光检测、声发射检测、微波检测等。这些技术都达到了一定的效果。但是随着航空技术的发展，对材料性能安全系数的要求越来越高，所以对检测技术的要求也越来越高。涡流检测较传统检测方法在某些方面有一定的优势，不仅可靠性高，而且在探测时不需清除零件表面的油脂、积碳和保护层，很多时候可在不分解飞机的前提下，在外场对飞机进行原位探伤。所以，涡流检测在航空维修中应用很广泛。涡流检测是根据电磁感应原理发展起
3、来的一种无损检测方法，即交变磁场在导电材料中感应出涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷影响涡流的大小和分布，从而影响探头测得的信号，根据信号的变化可得出缺陷的信息。涡流检测在金属材料的检测上已趋成熟，然而碳纤维复合材料相比于金属材料，结构更加复杂，电导率很低，且呈电各向异性，所以涡流检测技术在碳纤维复合材料上的应用要比金属材料更加复杂。碳纤维复合材料的涡流检测研究是近年来才开始的，国内外的相关文献还都很少，还有很多探索性的具有重大意义的工作要做。本论文正是基于这一现实情况，研究涡流检测技术在碳纤维复合材料性能检测和探伤方面的应用。 二、国内外研究概况及发展趋势：碳纤维是主要由碳元素组成的一种
4、特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。在纤维增强材料中，碳纤维是发展最迅速，应用范围最广，可适用于不同领域要求的纤维材料。碳纤维是一种新型非金属材料。它和它的复合材料具有密度低、耐热、耐化学腐蚀、耐摩擦、抗辐射、减震、降噪等一系列优异性能，而且作为纤维它还有柔软性和可编、可纺织性，特别突出的是它的高比强度和高比模量两大特性。碳纤维增强复合材料是八十年代后期发展起来并倍受重视的一类结构材料。随着制备技术的不断进步，其发展十分迅速，被广泛应用在航空航天、舰船、核工业、兵器工业、汽车工业、民用建筑、电力电子等领域。碳纤维增强复合材料在制备和使用过程中由于各种原因，会造成材料制品存在不同
5、类型的缺陷。与金属材料不同，碳纤维增强复合材料在断裂或损坏之前几乎没有先兆，其破坏具有突然性，并往往对结构造成致命威胁，直至造成重大安全事故，因而对碳纤维复合材料的在役无损检测就显得格外重要。 航空工业最早大量采用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领域特别是飞机制造业中应用广泛。在航空工业中，飞行器的质量减轻，就意味着油耗的降低，速度的加快。碳纤维强度高、密度低、变形量低的特点决定了它是理想的航空材料。目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占7O%-8O%，在军用飞机上占30%-40%，在大型客机上占15%-50%。碳纤维复合材料在飞机上的应用已从非承
6、力部件扩大到主承力部件，如机翼、垂尾、前机身、鸭翼、腹鳍、方向舵及升降副翼。另外，碳纤维复合材料还大量用作高超音速飞机的刹车片，飞机上的发热元件和机械紧固件，涡轮发动机叶片，内燃机活塞等。近几年，碳纤维复合材料也开始应用于航天领域。目前，主要应用于卫星结构、运载火箭、精密支撑结构件、光学镜体及空间相机等方面。90年代后期，碳纤维复合材料逐渐在汽车、土木建筑及文体用品等民用领域大显身手。碳纤维复合材料扩大应用的最大希望在于在汽车工业的应用。在汽车车身、零部件中使用碳纤维复合材料，不但可以降低汽车的重量，而且可以更加经济环保，降低油耗。碳纤维复合材料刹车片是其中非常重要的应用之一。碳纤维复合材料刹
7、车片主要用于高速列车。随着我国高速列车的飞速发展，这一应用具有美好的前景。水泥在土木建材领域中用量最大，但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点。而现在用混凝土或水泥为基体制成的碳纤维增强复合材料，克服了水泥强度低，在混凝土中易开裂，易受到氯盐、硫酸盐等侵蚀的缺点，在冬季及寒冷地区有很大的应用空间。碳纤维在体育用品方面的用量，占全世界碳纤维总消耗量的40%左右。碳纤维增强复合材料由于其高的比强度和高的阻尼特性主要被用在高尔夫球棒、钓鱼竿、网球拍、羽毛球拍、越野赛汽车和滑雪板等的制造。近年来，随着碳纤维产量的增加和价格的下降，碳纤维被广泛应用于基础设施、能源运输工具、环保和农业等领域。为了解决全球
8、气候变暖、温室气体排放等环境问题，碳纤维复合材料在核电、风电、电力传输、天然气压缩存储、电动汽车等新能源领域的应用也受到广泛的关注和研究。 碳纤维复合材料在生产制造和使用过程中不可避免地会存在缺陷和遭受损伤。随着碳纤维复合材料的优越性能被熟知，碳纤维复合材料在各行各业的应用与日俱增，随之而来的安全隐患也不断增多，对碳纤维复合材料结构的无损检测更显重要。针对不同的材料及不同的缺陷和损伤形式，可以采用不同的无损检测手段。目前，复合材料无损检测的常用方法有超声检测、涡流检测、X射线检测、激光检测、计算机层析照相(CT)、声发射检测、红外热成像检测、声振检测、微波检测等。而碳纤维复合材料比较成熟的检测
9、方法是超声检测、X射线检测以及红外热成像检测。这几种检测方法都取得了一定的效果1。主要研究方法：1，红外热波检测方法 红外热波无损检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被检测材料内部热学性质差异以及热传导的不连续性使物体表面温度产生差异，进而在物体表面的局部区域形成温度梯度。温度不同时红外辐射能力也随着发生变化，借助红外热像仪对被测试件进行探测，根据红外热像仪探测的辐射分布来推断被测试件的内部缺陷。李艳红等用红外热波无损检测技术对碳纤维层压板的圆形缺陷进行了检测研究。试验结果显示，该技术能以直观易懂的图像形式展现出被检材料内部的缺陷情况。原始图像和一阶微分图像能较清楚地显现出轮廓及温度变
10、化过程，还可以做缺陷尺寸标定及深度测量。但由于热图对材料非均匀性的敏感，也可能会对某些试件缺陷造成误判。蒋淑芳等利用红外热波检测方法对碳纤维层压板冲击损伤进行了研究。结果表明，红外波检测方法可以清晰地表征碳纤维层压板的纤维走向，还可以确定冲击损伤在试件内部随深度的变化过程。李晓霞等对低速冲压后的碳纤维复合材料进行了红外热波检测分析，研究了损伤面积和冲击能量之间的关系。结果表明，红外热波不仅对冲击损伤的大小具有检测能力，还可以对损伤材料内部冲击点处的扩展损伤模式进行有效的检测。霍雁等利用脉冲红外热成像技术，对碳纤维复合材料试样内部的模拟脱粘缺陷深度进行测量研究。利用该方法测量脱粘缺陷深度的精度由
11、单点法标定测量结果，实现了在被检测材料热属性参数未知的情况下能较准确地测量脱粘缺陷深度。金国锋等为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别，采用超声红外热波方法进行检测研究。结果表明，超声热波方法适于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别，而对脱粘等非界面贴合型缺陷检测无效果。综上，红外热波检测技术可以对碳纤维复合材的裂纹、分层等内部缺陷进行无损检测，但是根据红外热波检测的原理可知，检测过程要经过加热、热传导、形成温度梯度，进而产生辐射等多个步骤，因此，在检测过程中需要一定的时间，不能进行快速的扫描检测。 2，超声检测方法 超声检测技术是工业上无损检测的方法之一
12、。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可以对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并且能显示出内部缺陷的位置和大小，并可测定材料的厚度等。超声检测技术不仅可以检测碳纤维复合材料内部的裂纹、夹杂等缺陷，还可以对其内部缺陷进行定位，另外还能对碳纤维复合材料内部的空隙进行检测。但是，超声检测是一种接触式的检测，为了使超声信号少衰减地进入到被检测材料内部，探头处需要有藕合剂，这样就会对被测试件的表面造成污染，无法进行快速的扫描检测。 3，渗透和层析检测方法 采用渗透和层析检测碳纤维复合材料缺陷，是利用各组分物理性质的不同，将多组分混合物进行分离及测定的方法。渗透检测方法可以检测碳纤维复合
13、材料由于钻孔产生的分层缺陷。但是，渗透检测方法是一种表面无损检测方法，只适用于检测表面开口的缺陷，无法对内部缺陷进行有效检测。 4，声发射检测方法 声发射检测是通过接收和分析材料的声发射信号，评定材料性能和结构完整性的一种无损检测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起的应变快速释放而产生的应力波现象称为声发射。声发射检测技术可以有效地检测出碳纤维复合材料的内部缺陷及损伤类型。但是，对声发射法来说，缺陷所处的位置和方向并不影响声发射的检测效果，即用声发射检测技术无法检测出缺陷的位置。 5,微波无损检测方法 微波检测技术是以微波物理学、电子学和微波测量为基础的微波技术应用。以微波作为信息载体
14、，对各种材料构件和自然现象进行检测和诊断，对物体性能和工艺参数等非电量进行非接触、非污染的快速测量和监控，是一门新兴的综合性技术科学。微波检测的原理是研究微波与物质之间的相互作用，通过微波的物理特性(如反射、散射、衍射、透射及多普勒效应等)及被检测材料的电磁特性(如介电常数和损耗的相对变化)来测量微波基本参数的变化，以实现对被测材料的性能、缺陷等非电量的检测。 但这些检测方法也都有各自的缺点:超声检测检测时要求被检测表面有一定的光滑度，对小、薄和复杂零件难以检测，在检测过程中还需要使用耦合剂,X射线检测成本高，检测效率低，检测分层缺陷困难，不易发现与射线垂直方向上的裂纹，经常需要和超声反射法互
15、补使用;红外热成像检测要求被测件传热性能好，表面发射率高，并且这种方法检测深度比较小，不适合内部缺陷的检测，对缺陷的定性、定位与定量比较困难。涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法。它的基本原理可以描述为：当载有交变电流的试验线圈靠近导体试件时，线圈产生的交变磁场会在导体中感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件性能及有无缺陷的影响，而涡流的反作用磁场又使线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定实验线圈阻抗的变化，就可以推断出被检试件性能的变化及有无缺陷的结论。 涡流检测是以研究涡流与试件的相互作用为基础的一种常规无损检测方法。 涡流检测的优点如下：1）检测线圈不需要接触工件，也不需要耦
16、合剂，对管、棒、线材的检测易于实现高速、高效率的自动化检测；也可在高温下进行检测，或对工件狭窄区域及深孔壁等探头可达到的深远处进行检测；2）对于工件表面及近表面的缺陷有很高的检测灵敏度；3）采用不同的信号处理电路，抑制干扰，提取不同的涡流影响因素，涡流检测可用于电导率测量、膜层厚度测量、及金属薄板厚度测量；4）由于检测信号是电信号，所以可对检测结果进行数字化处理，然后存储、再现及数据处理和比较。 涡流检测的局限性如下：1）只适用于检测导电金属材料或能感生出涡流的非金属材料；2）由于涡流渗透效应的影响，只适用于检查金属表面及近表面缺陷，不能检查金属材料深层的内部缺陷；3）涡流效应的影响因素多，目前对缺陷的定性和定量还比较
