碳纤维复合材料涡流检测方法研究-开题报告

XX大学毕业设计（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 20xx 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。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，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困难；4）针对不同工件采用不同检测线圈检查时各有不足。如检测管、棒材，采用穿过式线圈难以对圆周上的缺陷定位，而使用旋转式探头线圈则监测区域狭小、速度较慢；5）铁磁性材料及制件常需要完全直流磁化到饱和，以免在涡流检测期间磁化状态变化引起的检测结果不直观，难以判断缺陷的性质、大小及形状等现象。碳纤维复合材料具有一定的导电能力，理论上可以用涡流检测技术进行检测。而且涡流检测有成本低、设备简单、操作方便等优点，所以碳纤维复合材料涡流检测的研究具有重要意义。虽然碳纤维复合材料具有导电能力，但是其电导率较金属材料低得多，并且电导率在各个方向上是不同的，这就大大增加了涡流检测的难度。如何设计检测探头以及设置良好的检测条件以提高检测的灵敏度，提高信噪比，成为了碳纤维复合材料涡流检测研究的重点之一。实验探究的方法是最早也是最常用的碳纤维复合材料涡流检测的研究方法1,2。2003年，斯特拉斯克莱德大学的C.Carr等人利用基于高温超导量子干涉仪（HTS SQUID)磁力计的涡流检测系统，扫描碳纤维复合材料样品表面，得到了样品表面的磁场，检测出了隐藏的损伤。从其磁场相位图可以看出磁场相位取决于样品的结构完整性，相位导数最小值随着撞击能量增加而变大。2007年，那不勒斯费德里克二世大学的C. Bonavolonta等人利用相似的涡流检测系统，检测了碳纤维复合材料的缺陷。通过分析磁通量变化的图像，确定了材料内损伤的位置，并且得到了损伤的大小及形状。应用HTS SQUID磁力计的涡流检测系统可以比较好地完成对复合材料损伤的检测。未来的主要研究方向是发展一个基于包含低温冷却系统的二阶梯度仪的数字式HTS SQUID无损检测系统。2005年，罗马尼亚国家技术物理研究所的R. Grimberg等人利用涡流微集中传感器对碳纤维复合材料样品表面进行扫描，得到了材料中碳纤维的分布图像。通过涡流显微镜处理图像，并利用全息信号处理方法处理检测信号的相位信息，得到聚焦的比较清晰的图像，从而可以很清楚的看出损伤区域。2009年，曼彻斯特大学的W .Yin等人设计了三种不同的线圈传感器分别用于测量碳纤维复合材料的体电导率，描绘纤维的方向特性和对单向碳纤维、正交双向碳纤维及受撞击损坏的复合材料样品进行故障检测并成像。同时还对垂直距离(传感器与样品距离)变化带来的影响进行了验证。这个实验的成功说明即使利用简单的检测线圈也能完成对碳纤维复合材料的涡流检测，可充分利用涡流检测设备简单、操作方便等优点。2013年,日本大学的K. Koyama等人研宄发现通过改变激励线圈与碳纤维复合材料纤维方向之间的放置角度可以减少噪声信号,提高信噪比。考虑到碳纤维复合材料的电各向异性及纤维缺陷的特点,他们设计了一种矩形的交叉涡流检测探头(CP探头),可以清楚的检测到碳纤维复合材料内部的缺陷。但是对双向的碳纤维复合材料的检测,噪声信号会比较大,所以他们计划设计一个新的探头,并加入信号处理器来提高信噪比。2010年,南昌航空航天大学的凡汉云等人研究了碳纤维复合材料的瞬变电磁检测。基于瞬变电磁响应的理论,采用快速傅里叶变换方法,推导出层状介质下的瞬变电磁响应公式。对复合材料的电磁响应进行了正演仿真计算,结果表明:瞬变电磁法对碳纤维复合材料中含有的不同电阻率的媒质有一定的分辨能力。最后,采用双道浅部瞬变电磁检测系统对预埋缺陷的碳纤维复合材料进行了检测验证,在检测试验中选择绝对式和差分式两种探头和四种不同激励频率进行了对比试验。研宄表明:差分式探头对碳纤维复合材料有较好的检测能力1。 国内外对碳纤维复合材料涡流检测的研究还很少，仍处于刚开始发展的起步阶段，还有很多的研究工作有待完成和尝试。三、研究内容及实验方案：1.研究内容 树脂基纤维增强叠层结构复合材料中的常见缺陷包括分层、脱粘、孔隙、纤维弯曲、夹杂、富脂、贫脂、划痕、涂层损伤、铺层损伤、穿透性损伤、热损伤、鼓包等。涡流检测目前仍处于当量比较检测阶段,定性定量检测还需进一步研究。本文旨在设置良好的检测条件以提高检测的灵敏度，提高信噪比，达到对碳纤维复合材料缺陷的定量以及尝试对缺陷进行定性分析。 碳纤维本身具有一定的导电性。将碳纤维固化到绝缘的树脂基体中,复合成的碳纤维复合材料在沿着碳纤维的方向有一定的电导率,称之为纵向电导率。由于在碳纤维被固化到基体中时纤维之间会有互相接触,所以在垂直于纤维的方向存在较小的电导率,称之为横向电导率。一般认为,纵向电导率会随着材料中碳纤维所占体积分数的增加而线性变大,而横向电导率的变化则较复杂。当碳纤维体积分数小于30%-40%时,横向电导率几乎为0。典型的碳纤维复合材料的碳纤维体积分数在60%-70%之间,一般认为纵向电导率在5000-50000S/m之间,而横向电导率在10-100S/m之间。同时在层压结构中,每层碳纤维材料之间也会存在电导率。层间电导率的大小与铺层间的压合程度有关,一般认为是横向电导率的一半左右1。设置良好的检测条件：通过调节检测频率、减少提离效应、改变激励线圈与碳纤维复合材料纤维的放置角度使纵向纤维接触面最广从而提高检测灵敏度；将检测设备调制成最佳检测条件，检测碳纤维复合材料试块与标准试块进行当量比较得出缺陷当量；熟悉碳纤维复合材料的典型及最重要最致命的缺陷（如分层、脱粘、孔隙、夹杂、纤维弯曲等），对预埋或已知缺陷的碳纤维复合材料的试块进行检测，观察并记录涡流检测仪显示设备上的图形特点，处理实验数据并分析，尝试对碳纤维复合材料的典型缺陷进行定性的分析识别。2. 实验方案2.1实验设备 EEC-35+ 多频涡流检测仪2.2试验方法 1、电导率的测量 由于碳纤维复合材料的各向异性的特性，目前运用较多的为四探针法，但是测量难度大，准确度不高。在测量时，在测试方向上，如果纤维没有露出来，需要打磨，直至露出来，且和内部相同。然后用导电胶把整个截面粘上，再在导电胶外面连上导线测电阻，然后计算体积，得出体积电阻，体积电阻率，从而得出电导率。（计算结果可以由被测碳纤维复合材料的碳纤维体积分数查阅出大概电导率进行对比）也可以尝试直接运用FQR7501、FQR7502型涡流电导仪和Hocking Auto Sigma 3000电导率测量仪对碳纤维复合材料试件的平均电导率进行测量； 2、涡流传感器（又称涡流检测线圈或探头）的选择 （a，根据检测线圈输出信号的不同，涡流传感器可分为参量式和变压器式两类；b，根据检测线圈和工件的相对位置不同，涡流传感器可分为外穿过式线圈、内穿过式和放置式线圈三类；c，根据线圈的绕制方式不同，涡流传感器可分为绝对式、标准比较式和自比较式三类）通过对碳纤维复合材料试件的几种不同的探头的检测，选择精度高的探头类型； 3、检测频率的选择 在涡流检测准备工作中，最重要的一点就是检测频率的选择。根据涡流检测经验公式： 1）管材：f=6.45/t2（其中，为材料的电阻率，t为管材厚度） 2）板材：对于板材也可用上述公式进行频率的选择，其中t为板材厚度；其实，对于板材的涡流检测，完全可以通过计算标准渗透深度，在计算有效渗透深度来确定频率。另外，在计算和实际应用中，应用经验公式时要考虑提离和填充。最后，选择好的检测频率还是要在调试过程中调整，以便达到最佳检测灵敏。 4、检测影响因素的测量 当载有交表电流的线圈接近导电试件时，会在试件表面产生涡流。涡流的大小和流动形式受试件性能及有无缺陷的影响。其中，试件导电率的变化、线圈离试件的距离的变化以及试件本身厚度的变化等都会影响涡流的改变，从而影响检测线圈的电性能。通常，这些效应分别被称为电导率效应、提离效应、厚度效应。因此，通过对检测线圈电性能的测量，对碳纤维复合材料试件的电导率效应、提离效应和厚度效应进行测量。 具体步骤：1)调节好信号发生器的输出频率、正弦交流电的幅值；2）电导率效应的测量：将试块放在实验线圈下方，读取微安表的读数并记录；依次改变试验频率和位置后，再次读取微安表的读数并记录；3）提离效应的测量：将试块放在实验线圈下方，改变试块与线圈之间的距离，读取3-5个不同距离时微安表上的读数；改变试验频率，读取微安表上的读数；4)厚度效应的测量：分别将厚度不同的试块放置在实验线圈下方的同一位置，读取微安表的读数并记录；改变试验频率或位置后，再次读取微安表的读数并记录。 实验注意事项：1）试验频率不宜过低，以避免涡流渗透深度过深引起的误差；2）操作时要将探头放置在试块的中心位置，注意避免边缘效应引起的误差。 5、检测深度的测量 当频率较高时，涡流几乎只在导体表面附近的薄层内流动。这种涡流主要集中在导体表面附近的现象，称为趋肤效应。涡流透入导体的距离称为透入深度。定义涡流密度衰减到其表面值1 /e时的透入深度为趋肤深度。趋肤深度表示涡流在导体内的趋肤程度。电各向同性的良导体材料的趋肤深度为：1 （1） （1）式中：为趋肤深度，单位：米（m)；f为激励信号的频率，单位：赫兹(Hz)；为被检工件的磁导率，单位亨利/米(H/m)；为被检工件电导率，单位：西门子/米(S/m)。 6、碳纤维复合材料试块的涡流探伤：利用涡流探伤仪进行涡流探伤实验，检测各类人工和自然缺陷：1）对被检试块、标准试块分别进行检测；2）进行检测时，接好已选择的合适的探头，开启电源，选择阻抗平面显示；3）根据屏幕操作提示，选择参数、检测等项目，进行参数基本设定及检测中参数设定；4）对检测结果进行记录，要求记录检测参数、缺陷示意图、用阻抗式仪器的阻抗图；5）分析处理实验数据，通过与标准试块对比进行缺陷的定量、定性分析。 四、目标、主要特色及工作进度:1.研究目标：对碳纤维复合材料试块进行涡流无损探伤，通过理论学习与实际实验达到对其缺陷的定量分析，并尝试对其主要缺陷进行定性分析。2.主要特色：运用涡流检测对碳纤维复合材料进行无损探伤：1）检测线圈不需要接触工件，不需耦合剂；2）对工件表面及近表面缺陷有很高的检测灵敏度，检测可靠性高；3）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；4）由于检测信号是电信号，可对检测结果进行数字化处理，方便快捷，易于实现缺陷的实际还原展现。3.工作进度：2014.2.242014.3.20 前期资料收集、调研，熟悉其结构特性和电磁特性。2014.2.212014.4.05 检测方法及检测工艺的确定撰写开题报告，开题。 2014.4.062014.5.01 检测信号的分析及处理，缺陷的定性及定量方法研究。2