CFRP薄壁管红外热成像和CT检测的研究分析

郭德伟 马其华

摘要：碳纤维复合材料（CFRP）具有高强度、高刚度及耐高温等优异特性，其在航空、航天、车辆等领域应用得非常广泛。复合材料结构件因复杂的结构导致其在生产和使用过程中会产生如分层、脱粘和裂纹等各类缺陷，使得复合材料的性能降低，具有安全隐患。研究和发展能够准确检测碳纤维复合材料的损伤十分有意义。本文分析了主流的无损检测技术方法的检测原理及特点，对比了不同的形状及不同损伤所适用的检测原理。本文利用红外热成像的方法建立实验装置，得到实验结果，得出预制的CFRP薄壁管样件表面损伤面积为1 342 mm2。并且利用 CT技术对样件的损伤做检测分析。并对红外的检测方法进行了对照。

关键词： 复合材料; 薄壁管; 损伤检测; 损伤评价;CT; 红外热成像

【Abstract】 Carbon fiber reinforced polymer （CFRP） is widely used in aerospace， vehicle and other fields because of its high strength， high stiffness and high temperature resistance. Due to the complex structure of composite structure， it will produce various defects such as delamination， debonding and cracks in the process of production and use， which will reduce the performance of composite materials and have security risks. It is of great significance to study and develop the method to accurately detect the damage of carbon fiber composite. This paper analyzes the testing principle and characteristics of the mainstream nondestructive testing technology， and compares the testing principles of different shapes and different damages. In this research， the infrared thermal imaging method is used to set up the experimental device. The experimental results show that the surface damage area of the prefabricated thin-walled CFRP tube sample is 1 342 mm2. In addition， CT technology is used to detect and analyze the damage of the sample compared with the results of infrared detection method .

【Key words】  CFRP; thin-walled tube; damage detection; damage mechanism; CT; infrared thermography

0 引 言

碳纤维复合材料（CFRP）凭借其超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等特性[1]，成为了当下新能源汽车产业的原材料首选。复合材料在生产和服役的过程中，特别是服役的过程中，由于撞击、疲劳、腐蚀等物理化学因素的影响，复合材料中很容易产生分层、裂纹、冲击损伤等缺陷。会导致结构的热力和机械等特性的改变，影响结构的可靠性和安全性。多数情况下的检测需要在不损害材料的使用性能的前提下，对CFRP进行检测与评价，这也对检测方法提出了更高的要求。目前的学术界多是集中在对板材的研究，而对于CFRP缠绕管的检测技术一直是研发中的技术难点。对此本文拟展开研究论述如下。

1 常用无损检测方法对比

1.1 碳纤维复合材料（CFRP）的缺陷

碳纤维复合材料（CFRP）的缺陷包括分层、脱胶、纤维断裂、夹杂、孔隙和裂纹等等[2]。由于复合材料属于非均匀各向异性材料，因此其无损检测比各向同性的金属的检测更为复杂[3]。适合于复合材料的检测方法主要有： X射线照相检测、计算机层析成像（CT）、超声检测技术、涡流检测技术、红外热成像检测技术、激光检测技术等[4]。但不同技术质检有一定的适用范围，并且由于各种检测原理特点，其评价参数不统一，对于同樣的样件评价机理各不相同，为实际应用造成了较大的困扰。复合材料主要无损检测方法对比见表1。

1.2 损伤样件的制备

空心圆铝管采用材质 6061的铝管 ，几何尺寸为 34 mm×2 mm×300 mm（ 内径×壁厚×长度） 。碳纤维增强复合材料（ CFRP） 选用的是日本的东丽株式会社的 T700-12K 单向带和浙江百合航太公司 BAC177 树脂制备而成。缠绕后，薄壁管几何尺寸为41 mm×3.5 mm×300 mm（ 内径×壁厚×长度），CFRP缠绕薄壁铝管样件如图1所示。为了预制损伤，实验采用三点弯曲试验，对CFRP缠绕的铝管进行弯曲加载，加载辊和支辊的直径均为15 mm，试件长度为 300 mm，试验中的加载辊加载速率为10 mm/min，加载位移为 40 mm。本文只讨论对于CFRP缠绕薄壁铝管的损伤检测和检测方法的对比，不对制备工艺以及制备样件的力学性能做深入探索。