树脂基复合材料的无损检测

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1、 1 第第 2 2 章章 树脂基复合材料的无损检测树脂基复合材料的无损检测 编者编者 李家伟李家伟 当前，工业界主要采用的当前，工业界主要采用的树脂基复合材料其增强体是纤维树脂基复合材料其增强体是纤维，是纤维增强树，是纤维增强树 脂基复合材料，本章主要对其无损检测进行叙述。脂基复合材料，本章主要对其无损检测进行叙述。 复合材料与金属材料不同，一般不是先由原料制成材料再加工成制件，而复合材料与金属材料不同，一般不是先由原料制成材料再加工成制件，而 是是在制造制件的过程中形成材料在制造制件的过程中形成材料的。纤维增强树脂基复合材料的制造的。纤维增强树脂基复合材料的制造工工艺亦即艺亦即 制件的制造制

2、件的制造工工艺有所谓艺有所谓真空袋热压罐法真空袋热压罐法和和树脂传递模塑成型法树脂传递模塑成型法。 2.12.1 真空袋热压罐法制件的无损检测真空袋热压罐法制件的无损检测 采用真空袋热压罐法可以制得高质量的制件，制件采用真空袋热压罐法可以制得高质量的制件，制件压制密实、厚度公差范压制密实、厚度公差范 围小，孔隙率低，许多大型和复杂的部件围小，孔隙率低，许多大型和复杂的部件如机翼、卫星天线反射器、导如机翼、卫星天线反射器、导弹载弹载人人 体等都采用此法制作。此法包括体等都采用此法制作。此法包括树脂浸渍、成型和固化树脂浸渍、成型和固化三个步骤。三个步骤。 2.1.12.1.1 纤维的树脂浸渍纤维的

3、树脂浸渍 纤维的树脂浸渍可在成型的前一道工序进行，也可将纤维浸渍树脂后经烘纤维的树脂浸渍可在成型的前一道工序进行，也可将纤维浸渍树脂后经烘 干或预聚形成一种中间材料即预浸料，再进行成型。干或预聚形成一种中间材料即预浸料，再进行成型。 (1)(1) 要求要求 制作复合材料制件制作复合材料制件对预浸料有严格要求对预浸料有严格要求。纤维纤维排列要整齐，无排列要整齐，无 张力，张力，树脂含量树脂含量要符合要求且均匀稳定。既要求预浸料所浸渍的树脂中含有加要符合要求且均匀稳定。既要求预浸料所浸渍的树脂中含有加 热固化所需配比严格的固化剂、促进剂等，又要求有一定的贮存期，保持应有热固化所需配比严格的固化剂、

4、促进剂等，又要求有一定的贮存期，保持应有 的粘接性，以保证在规定的成型工艺规范条件下生产出合格制品。通常在预浸的粘接性，以保证在规定的成型工艺规范条件下生产出合格制品。通常在预浸 料表面覆盖一层隔离纸，其作用主要是料表面覆盖一层隔离纸，其作用主要是防止预浸料被污染及单向预浸料横向开防止预浸料被污染及单向预浸料横向开 裂，并为下料时剪裁划线提供方便。裂，并为下料时剪裁划线提供方便。 (2) (2) 监测方法监测方法 目前有两种方法常用于测定这些参量，一种是溶剂洗除法，目前有两种方法常用于测定这些参量，一种是溶剂洗除法， 即用诸如甲基即用诸如甲基- -乙基酮（乙基酮（MEKMEK）及）及/ /或亚

5、甲氯化物将未固化树脂经预浸料中去除；或亚甲氯化物将未固化树脂经预浸料中去除； 另一种是树脂氧化法，即在高温下将树脂脱去（此法主要用于带玻璃纤维的预另一种是树脂氧化法，即在高温下将树脂脱去（此法主要用于带玻璃纤维的预 浸料），然后用原始的预浸料重量和最后的纤维重量来计算树脂含量（以重量浸料），然后用原始的预浸料重量和最后的纤维重量来计算树脂含量（以重量 计）和纤维重量。这两种方法是破坏性的，而且完成速度慢，易引起操作误差计）和纤维重量。这两种方法是破坏性的，而且完成速度慢，易引起操作误差 和污染环境。两种无损和污染环境。两种无损超声波方法是透射法和兰姆波法超声波方法是透射法和兰姆波法。 1)1)

6、 透射法。这种方法可用于透射法。这种方法可用于测定预浸料性能测定预浸料性能，多层（，多层（8 81616 层层）预浸料试样预浸料试样 可使用此设备。预浸料试样被置于恒定压力（约可使用此设备。预浸料试样被置于恒定压力（约 100010001400kPa1400kPa）下约）下约 20s20s，在，在 保持此压力的情况下，设备中的计算机对超声波速度和厚度分别进行测量。图保持此压力的情况下，设备中的计算机对超声波速度和厚度分别进行测量。图 2 13.213.2- -1 1 所示为接触式超声波透射测量系统， 在测最过程中所示为接触式超声波透射测量系统， 在测最过程中 由发射换能器产生的由发射换能器产生

7、的 超声波脉冲纵波穿过预浸料试样为接收换能器接收，所接收到的信号经放大、超声波脉冲纵波穿过预浸料试样为接收换能器接收，所接收到的信号经放大、 数字化，以计算机对每一试样用仪器所采集和处理的约数字化，以计算机对每一试样用仪器所采集和处理的约 100100 个超声波形和厚度个超声波形和厚度 数据数据进行分析，由此进行分析，由此确定速度、频率和相对衰减信息确定速度、频率和相对衰减信息。预浸料的超声波特性取预浸料的超声波特性取 决于预浸料中树脂和纤维力学性能之差。决于预浸料中树脂和纤维力学性能之差。这是因为预浸料这是因为预浸料的两个组成物的力学的两个组成物的力学 性能、纤维性能、纤维/ /树脂比例的变

8、化将导致预浸料对超声波响应的改变，特别是预浸料树脂比例的变化将导致预浸料对超声波响应的改变，特别是预浸料 树脂含量的增大将使在预浸料试样中树脂含量的增大将使在预浸料试样中超声波传播速度下降超声波传播速度下降。而由于在预浸料试。而由于在预浸料试 样中未固化树脂的粘弹性，试样的厚度和超声波传播时间在样中未固化树脂的粘弹性，试样的厚度和超声波传播时间在 21s21s 的固化时间内的固化时间内 下降，而下降，而速度和中心频率上升速度和中心频率上升。图。图 13.13.2 2- -2 2 表明表明 8 8 层编织石墨层编织石墨/ /环氧树脂预浸件环氧树脂预浸件 典型的固化曲线，对于特定类型的预浸料材料，

9、一旦关系建立，就可用于评估典型的固化曲线，对于特定类型的预浸料材料，一旦关系建立，就可用于评估 同样材料预浸料的树脂含量。图同样材料预浸料的树脂含量。图 13.213.2- -3 3 为编织石墨为编织石墨- -环氧树脂预浸料超声波速环氧树脂预浸料超声波速 度和树脂含量之间的关系。度和树脂含量之间的关系。透射法的优越性是快速，一次测量约须透射法的优越性是快速，一次测量约须 40s40s，而，而破坏破坏 性试验须性试验须 101025min25min。此外，超声波测量无环境污染，操作误差较少，。此外，超声波测量无环境污染，操作误差较少，主要局限主要局限 性是对于单一取向石墨性是对于单一取向石墨-

10、-环氧树脂预浸料测量准确度不够环氧树脂预浸料测量准确度不够，主要是由于，主要是由于厚度太厚度太 小。小。 图图 13.213.2- -1 1 接触式超声波透射测量系统接触式超声波透射测量系统 图图 13.213.2- -2 82 8 层编织石墨层编织石墨/ /环氧树脂预浸件典型的固化曲线环氧树脂预浸件典型的固化曲线 3 图图 13.213.2- -3 3 编织石墨编织石墨- -环氧树脂预浸料超声波速度和树脂含量之间的关系环氧树脂预浸料超声波速度和树脂含量之间的关系 2 2) ) 兰姆波法。开发兰姆波方法的主要目的是用以测量兰姆波法。开发兰姆波方法的主要目的是用以测量单向石墨单向石墨- -环氧树

11、脂环氧树脂 预浸料预浸料的性能。因为很多的性能。因为很多当今应用的先进复合材料用的是这种类型材料当今应用的先进复合材料用的是这种类型材料。此外，。此外， 单向预浸料厚度小，兰姆单向预浸料厚度小，兰姆波法是一种合适的方法（参阅本手册第波法是一种合适的方法（参阅本手册第 3 3 篇第篇第 5 5 章的章的 5.85.8 节）。采用单发射单接收的双探头法，超声波由发射换能器产生，导向预浸节）。采用单发射单接收的双探头法，超声波由发射换能器产生，导向预浸 料，此时在预浸料中超声波是以兰姆波传播的，到达接收处为接收换能器采集。料，此时在预浸料中超声波是以兰姆波传播的，到达接收处为接收换能器采集。 在测量

12、时在测量时试样的取向是使波的传播方向与纤维方向相同试样的取向是使波的传播方向与纤维方向相同，理由有二：首先，可，理由有二：首先，可 获得较长的传播距离，以获得较好的测量灵敏度和分辨力；其次，因为超声波获得较长的传播距离，以获得较好的测量灵敏度和分辨力；其次，因为超声波 对弹性模量的改变是最敏感的，在纤维方向可得对弹性模量的改变是最敏感的，在纤维方向可得到较大的纤维到较大的纤维/ /树脂弹性模树脂弹性模量量 比。测比。测量量所用的兰姆波是最低阶对称模式（所用的兰姆波是最低阶对称模式（S S0 0模模），用一对中等阻尼的，用一对中等阻尼的 1MHz1MHz 换换 能器产生和接收。图能器产生和接收。

13、图 13.213.2- -4 4 为最低阶兰姆波的为最低阶兰姆波的频率曲线，因为大多数单向预浸频率曲线，因为大多数单向预浸 料厚度约料厚度约 0.13mm0.13mm，就实用性而论，兰姆波的传播是非频散的，对预浸料的厚度就实用性而论，兰姆波的传播是非频散的，对预浸料的厚度 并不敏感。因此，浸料厚度的测并不敏感。因此，浸料厚度的测量量是没有必要的。是没有必要的。预预浸浸料是粘弹性材料，它的料是粘弹性材料，它的 弹性和粘滞性会影响兰姆波的传播特性。弹性和粘滞性会影响兰姆波的传播特性。但是，试验已经发明，但是，试验已经发明，S S0 0模模兰兰姆波能容姆波能容 易地在单向易地在单向石墨石墨/ /环氧

14、环氧树脂预浸料中传播树脂预浸料中传播 300300mmmm。 图。 图 13.213.2- -5 5 表示表示兰姆波兰姆波在在单向石单向石 墨墨- -环氧树脂预浸料行进时间和树脂含环氧树脂预浸料行进时间和树脂含量量之间的关系，将线性回归分析用于图中之间的关系，将线性回归分析用于图中 数据。数据。 4 图图 13.213.2- -4 4 最低阶兰姆波的频率曲线最低阶兰姆波的频率曲线 * *对称模对称模 反对称模反对称模 图图 13.213.2- -5 5 单向石墨单向石墨- -环氧树脂预浸料环氧树脂预浸料兰姆波兰姆波行进时间和树脂含量间的关系行进时间和树脂含量间的关系 2.1.2 2.1.2 成

15、型成型 成型工艺有缠绕法、层压法和拉挤法等，目前主要采用成型工艺有缠绕法、层压法和拉挤法等，目前主要采用层压法层压法成型成型工艺。工艺。 简单地说简单地说，层压法成型层压法成型就是将预浸料按制件形状就是将预浸料按制件形状和铺展设计要求裁剪好，和铺展设计要求裁剪好， 然后按规定方向和顺序在模腔内（或模具型面上）铺叠至所需要的厚度形成复然后按规定方向和顺序在模腔内（或模具型面上）铺叠至所需要的厚度形成复 合材料坯件，并进而制成能保持密封的真空组件，图合材料坯件，并进而制成能保持密封的真空组件，图 1 13.23.2- -6 6 为其结构示意图。为其结构示意图。 将真空将真空组组件移入热压罐内加热、

16、件移入热压罐内加热、加压固化加压固化。多向复合材料层合板单层的方向角多向复合材料层合板单层的方向角 和铺层和铺层顺序可用如下标记表明，如顺序可用如下标记表明，如OO3 3/90/902 2/+45/+451 1/ /- -45453 3 s s，其含意为层合板是对称，其含意为层合板是对称 层板，方括号外下层板，方括号外下角标角标 s s 表示对称表示对称层层板。经中性面板。经中性面 Z Z0 0向上向上一侧开始计算一侧开始计算顺序，顺序， 则则第第一层组方向角为一层组方向角为- -4545， 此层组为三层。 第二层方向角为， 此层组为三层。 第二层方向角为 4545， 层数为， 层数为 1 1 层，层， 5 第三层组方向角为第三层组方向角为 9090，层数为二层，第四层组方向角为，层数为二层，第四层组方向角为 0 0，层数为三层。，层数为三层。 如方括号外下角标为如方括号外下角标为 t t，则表示方括号内系层板全体。如此，图，则表示方括号内系层板全体。如此，图 13.2