铺缝液体成型复合材料孔隙率与超声衰减系数关系研究

2021-02-14刘伟李红强舒巍郑莹莹

高科技纤维与应用 2021年6期

刘伟，李红强，舒巍，郑莹莹

(江苏恒神股份有限公司，江苏丹阳 212314)

0 引言

孔隙对复合材料力学性能有很大影响，在工程应用中，人们希望通过无损的方式建立孔隙率与超声参数之间的关系，从而评估复合材料中的孔隙率。主要检测方法为声速法[1]、声衰减法及阻抗法[2]，其中以声衰减法的孔隙率超声检测研究最多。

由于铺缝工艺是近些年才发展起来的技术[3]，虽然国内外对铺缝液体成型复合材料缺陷做了一定的研究，但相对较少，对于工程应用所关注的孔隙率与超声特征参数的关系未有过研究，因此有必要对铺缝液体成型复合材料的缺陷进行检测与识别研究。本文将利用超声无损检测设备测量每组孔隙率试样下孔隙引起的超声衰减系数αp，利用金相显微镜观察测量每组孔隙试样的实际孔隙率Pv，通过回归分析，建立铺缝液体成型复合材料孔隙率与孔隙引起的超声衰减系数之间的关系。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验采用江苏恒神股份有限公司制造的8块含有不同孔隙率的铺缝液体成型复合材料层压板。其孔隙率通过金相显微镜法测得，分别为0.09%、0.13%、0.36%、1.19%、1.76%、1.97%、2.31%和2.49%。

1.2 无损检测

采用接触式反射法超声C扫系统，系统组成如图1所示。该超声C扫系统带有机械运动支架，可快速进行平面扫查，探头为5 MHz，64晶片。

图1 接触式反射法超声C扫系统

对于含有孔隙的复合材料，超声总衰减包括系统总衰减、在复合材料上表面的衰减、下表面的衰减以及在内部的衰减。其中内部衰减包括材料非孔隙引起的衰减和孔隙引起的衰减Δp，超声衰减通常用衰减系数α表示，单位为dB/mm,即单位厚度试板的声衰减量，孔隙引起的衰减系数可以用αp表示。

根据上述内容，则有：

αp=Δp/x

(1)

其中，x为试板厚度，单位为mm。

通常可以通过超声扫描设备测量得到不同孔隙率试板的总衰减量Δt(也称绝对衰减量)，对于同一批复合材料，在试板厚度、表面粗糙度以及超声设备状态保持一致的情况下，可认为不同试板的超声衰减量不同主要是由孔隙率不同造成的。由于试板采用RTM工艺属于闭模成型，厚度主要依靠模具进行控制，不同试板之间的厚度能够保持较好的一致性。

因此可以用不同孔隙率下的绝对声衰减量减去零孔隙率的超声衰减量Δ0，从而得到该试板的相对声衰减量，即孔隙引起的声衰减量Δp，则有：

Δp=Δt-Δ0

(2)

根据公式(1)和公式(2)，可以得到孔隙引起的声衰减系数：

αp=(Δt-Δ0)/x

(3)

图2 孔隙率试板超声衰减量取点示意图

超声衰减量测量的操作步骤：将超声探头分别移动到不同孔隙率试板的上方，调节增益，使得试板底面回波幅度达到满屏的80%，读取衰减器显示数值Δi，作为该点处的声衰减量；重复上述操作，每隔7 mm左右进行衰减量的测量。每块试板测量49个点(n=1，2，…，49)，计算该试验件所有测量点声衰减量的平均值Δt，作为该试板的绝对声衰减量，则有：

(4)

2 结果与讨论

2.1 超声衰减系数与孔隙率关系的实验结果

由于绝对零孔隙率的试验件很难得到，因此采用孔隙率最接近零孔隙率的试样的声衰减量作为基准声衰减量，即孔隙率为0.09%的试样声衰减量作为Δ0。根据公式(3)，计算得到不同孔隙率试验件的由孔隙引起的声衰减系数αp，详见表1。

表1 不同孔隙率试板的超声衰减系数

根据表1的数据，以孔隙率Pv为横坐标，声衰减系数αp为纵坐标，得到声衰减系数αp随孔隙率Pv的变化曲线，如图3所示。可以看出，声衰减系数αp随着孔隙率Pv的增加而增大，当孔隙率从0.09%增加至1.76%时，声衰减系数从0增加至1.66 dB/mm，变化率为0.99(dB/mm)/%。而当孔隙率从1.76%增加指2.49%时，声衰减系数从1.66dB/mm增加至4.54 dB/mm，变化率为3.94(dB/mm)/%，变化率不一致，且相差4倍，可以看出声衰减系数随孔隙率变化并非简单的线性关系。

图3 超声衰减系数αp与孔隙率Pv实验结果

2.2 孔隙率超声衰减模型的建立与分析

从图3可以看出，在孔隙率为1.76%前后声衰减系数随孔隙率的变化速率存在明显差异，因此可以以孔隙率1.76%为界限，对于孔隙率在0.09%～1.76%和孔隙率在1.76%～2.49%区间，分别对孔隙率Pv与声衰减系数αp之间的关系进行回归分析，分析结果如图4所示。

图4 超声衰减系数αp随孔隙率Pv变化实验结果与回归分析结果比较

根据以上分析，实验拟合所用模型如公式(5)和(6)所示，说明在孔隙率1.76%附近，大于1.76%和小于1.76%的情况下对声衰减的影响是不同的。

αp=b1+a1Pv(Pv≤1.76%)

(5)

αp=b2+a2Pv(Pv>1.76%)

(6)

公式(5)和(6)中，a1、a2、b1、b2为特定超声波频率下的常数。回归分析结果为：

αp=-0.000 4+0.98Pv(Pv≤1.76%)

(7)

αp=-4.47+3.66Pv(Pv>1.76%)

(8)

即：

(9)

(10)

对于以上回归分析结果，一般用测定系数R2来评价相关程度，R2越大(R2≤1)，表明相关程度越高，即孔隙率Pv与声衰减系数αp的线性相关性越大。当孔隙率在0.09%～1.76%范围回归分析结果的测定系数R2=0.982；当孔隙率在1.76%～2.49%范围内回归分析结果的测定系数R2=0.934。这说明孔隙率与声衰减在各自范围具有较高的线性相关性，而1.76%～2.49%范围的决定系数相对较低，说明在较高孔隙率条件回归分析结果和实验结果之间的偏差相对较大。

对于图4的结果，难以从理论上做出令人满意的解释，因为复合材料孔隙率对超声衰减的影响是复杂的，主要是因为孔隙几何形貌的复杂性。声波在复合材料传播时，孔隙对超声波的衰减通常表现为散射衰减，根据孔隙直径D与超声波波长λ的相对大小，根据晶粒的超声散射机制[4]，将超声散射分为三种散射：瑞利散射、随机散射和漫散射。如图5所示[5]，瑞利散射发生在孔隙尺寸较小(D/λ<1/3)较小的情况下，随机散射发生在孔隙尺寸较大(3>D/λ>1/3)的情况下，漫散射发生在孔隙尺寸更大(D/λ>3)的情况下。对于本实验所研究的铺缝液体成型复合材料而言，所用超声探头波长λ=570 μm。根据上述散射理论，当孔隙尺寸小于190 μm时，孔隙引起的散射主要为瑞利散射。在这种情况下，由于超声波波长远大于孔隙直径，声波可以绕过孔隙继续传播，因此瑞利散射所造成的声波能量衰减很小，这时孔隙对声衰减的贡献较小。当孔隙大于190 μm时，孔隙引起的散射主要为随机散射和漫散射，这种情况下散射所引起的声波能量消耗较大，孔隙对声衰减的贡献较大。

图5 晶粒超声衰减机制

为了进一步分析孔隙尺寸对声衰减的影响，由于孔隙最小直径平行于超声波的传播方向，其对声波的散射变化的影响可以忽略[6]，实验统计了不同孔隙率试样孔隙最大直径大于190 μm数量占该试样所有孔隙数量的百分比。图6为不同孔隙率下大于190 μm的孔隙数量百分比。当孔隙率在0.09%～1.19%时，大于190 μm的孔隙数量百分比均在20%以下，引起漫散射的孔隙数量较少。此时以瑞利散射为主导，在此孔隙率范围内由孔隙引起的声衰减系数增加幅度相对缓慢。当在孔隙率1.19%～2.49%时，大于190 μm的孔隙数量百分比较高，达到50%左右，并在此孔隙率范围内所占百分比呈现上升趋势。此时漫散射占比增加，在此孔隙率范围内孔隙引起的声衰减系数增加幅度相对较大。

图6 不同孔隙率大于190 μm的孔隙数量百分比

需要说明的是，以上回归分析结果是在本实验条件下得到的，包括特定的实验设备、特定的探头以及特定工艺条件下得到的复合材料，一旦条件发生变化，可能得到不同的结果，这也是利用超声无损检测进行孔隙率测量的难点以及局限性。实验得到结果在孔隙率大于1.76%以上的相对偏差较大，但复合材料窗框孔隙率要求一般在1.5%以内，大于1.5%的孔隙率的情况在实际工程应用并被不关注。因此，本实验得到的结果一定程度上可以指导实际工程应用。