碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法

由于碳纤维增强复合材料（CFRP）具有各向异性的特点,在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷,而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大,因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料的有效应用具有重大意义。从分层缺陷的形成机理出发,通过对现有分层缺陷的检测以及评价体系的分析,提出了基于高频超声扫描显微镜（SAM）来进行分层缺陷检测评价的三维体积分层因子评价方法,并针对T800/X850碳纤维单向层合板对该方法进行了定征试验,最后通过对实际加工孔的分层缺陷的评价,综合对比了三维体积分层因子评价方法与传统评价方法的应用效果。结果表明：分层缺陷是由力热耦合引起的层间粘结失效,出口处更为严重;用超声扫描显微镜检测分层,可检测不少于8层的碳纤维复合材料,至少可以清晰表达5层的内部分层特征;分层会发生隔层传播,并且两个相邻铺层为同向的层间结合强度最好,不易产生隔层传播;三维体积分层因子可以更准确清晰地评价复合材料层合结构的内部缺陷。     

纤维增强复合材料钻削分层的研磨检测

复合材料钻削分层缺陷是影响复合材料构件后续加工质量和效率的关键因素之一,针对该问题,设计不同钻深孔的分层缺陷产生与检测实验,揭示分层产生及演变历程。获得了孔出口三维分层形貌,分析了分层缺陷动态变化及影响。     

玻璃纤维-铝锂合金层板机翼前缘结构的成型工艺研究

以机翼前缘典型件为成型目标,研究了玻璃纤维-铝锂合金超混杂复合层板(NFMLs)大曲率构件的自成形工艺。研究发现,自成形工艺可实现NFMLs机翼前缘等大曲率构件的成型,贴膜度高、厚度均匀性好、无显著分层缺陷、成型过程未形成较大的残余应力,为超混杂复合材料在飞机机翼蒙皮结构中的应用研究提供参考。     

先进复合材料的无损检测

综合分析了碳纤维复合材料构件在成型和使用过程中造成的缺陷及损伤产生的原因,指出成型工艺原理和理论的非完美性、原材料因素、人为因素是复合材料成型过程中缺陷产生的主要原因。采用无损探伤技术对缺陷进行检测是复合材料构件质量保证的必要手段。对目前国内外用于复合材料构件的几种无损探伤方法进行了比较,认为超声法是复合材料常见缺陷检测的一种有效手段。并对超声检测技术的研究和应用进展进行了介绍。     

复合材料制造过程仿真技术综述

复合材料制造过程仿真技术的有效应用可以在复合材料构件设计之初对其制造过程中可能出现的缺陷,如分层、孔隙、温度不均、变形等问题进行预测,从而为优化构件结构、调整工艺参数或模具型面提供依据。对目前复合材料设计制造领域常用的一些软件进行简要介绍,并针对目前复合材料制造过程温度场分布和固化变形仿真技术中存在的问题进行了阐述与讨论。     

某聚酰亚胺基复合材料构件R角内部缺陷研究

聚酰亚胺基复合材料由于其自身反应复杂,成型难度较大,带拐角的聚酰亚胺基复合材料构件,其拐角区域(以下称为R区或R角)更容易产生分层、架桥等缺陷,本研究从拐角处的应力及固化过程中的模具、零件热膨胀差异等方面着手,探讨了拐角处的分层缺陷的成因及机理,并通过试验进行验证。发现,铺层结构、模具形式、热匹配等因素对拐角处分层缺陷影响较大。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

航空复合材料构件精确制造技术探讨及应用

随着军用航空器对作战效能比和民用航空器对燃油经济性要求的不断提升,以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的轻量化高性能材料得以在航空器上广泛应用。国内外许多专家、学者对树脂基复合材料构件制造过程进行了大量的研究。复合材料成型工装制造时,应减少支撑块,并使用Invar钢制造的成型工装来提高复合材料构件的制造精度。在复合材料构件成型时,过低的固化压力会造成复合材料构件内部缺陷,低的升温速率和降温速率能够减少温度梯度对复合材料构件变形的影响。通过对工装补偿和优化成型工艺参数来实现盆形零件的精确制造。     

曲面构件水浸超声检测缺陷定量研究

受曲界面影响,超声波在曲面构件中传播时声束聚焦、散射特性增强,声能量出现汇聚与分散现象,造成缺陷定量困难。针对试块对比法等传统手段检测成本高及适应性较弱的问题,研究了基于超声测量模型的曲面构件缺陷定量方法。以脉冲激励方式下的超声波多元高斯声束模型和缺陷散射模型为基础,建立了曲面构件水浸超声测量模型,并对凸、凹两种曲面试块内的缺陷回波进行了模型有效性验证。以平底孔缺陷为例,基于该模型建立了曲面构件缺陷定量表征曲线,通过仿真研究了声束在曲面构件中的聚焦和散射特性,分析了相对缺陷波高随曲率半径、缺陷深度和缺陷尺寸的变化规律,并通过预测相对缺陷波高进行缺陷定量。以钢制曲面试块水浸超声检测为例进行了缺陷定量应用实验,模型预测与实验结果比较,相对缺陷波高预测误差小于1.2dB,缺陷大小定量误差不大于8.7%,表明这种方法可行,为曲面构件水浸超声检测时的缺陷定量提供了一种简便有效的途径。