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碳纤维复合材料缺陷检测方法研究 汇报人： 金春杏 刘玉振 赵成武 导 师： 王 仲 目录 CONTENTS 研究背景 01 仿真 拉伸度高，与硅基纤维复合材料相比，拉伸强度是它的 3-7 倍; 高比强度，其强度大约为钢的 5 倍; 高弹性模量，弹性回复 100%，在相同的外负荷下，应变较小; 各项异性，热膨胀系数小，耐骤冷急热；耐疲劳性好 5 碳纤维复合材料应用背景 碳纤维复合材料 6 从最初在航空航天和军事工业领域的应用，逐步推广于体育休闲用品行业，近年来在工 业上获得广泛的应用，其中汽车、土木建筑、能源和电子等领域为最有前景的应用领域 碳纤维复合材料应用背景 碳纤维复合材料制作过程中或使用过程中会形成各种形式的缺陷： l 基体和增强材料融合继而定型成为产品的过程中，存在诸多不确定因素 l 碳纤维复合材料的各向异性结构 碳纤维复合材料的缺陷类型有多种，在一块材料板中，有时仅存在一种缺陷， 有时会多种缺陷同时存在，其中分层、夹杂、脱粘与孔隙缺陷是最常见的缺 陷 这些缺陷的存在势必会影响材料的各项性能指标，使碳纤维复合材料构件的应 用受到一定的限制，造成经济损失和安全问题。 准确、快速、有效、及时地检测出碳纤维复合材料中的缺陷对提高社会经济效 益有重大的意义 7 碳纤维复合材料无损检测研究概况 无损检测NDT(Non-destructive Testing)技术： 利用材料内部存在的缺陷所引起的对热、声、光、电、磁等特性的变化，在不 损伤被检测对象的条件下，探测各种材料、结构件等内部或表面缺陷，并对 缺陷的位置、类型、数量、尺寸等做出判断和评价 与破坏性检测相比，NDT有如下优势: 一是非破坏性，对材料无需破坏就可以进行有效的检测，不损害材料的性能 二是全面性，可在不破坏材料的前提下实现全面的检测 三是全程性，可以在设备的使用过程中对材料进行检测，这是破坏性检测不能 实现的，破坏性检测只能针对原材料进行 8 碳纤维复合材料无损检测研究概况 复合材料的低导电特性和低热导率，声衰减强等特性使其不像金属材料那样容 易产生腐蚀缺陷，却极易因偶然撞击而产生不可见的裂纹、分层等现象，即使 是极微小的撞击也会在近表面产生严重的缺陷，影响材料的性能 20世纪80年代后，为解决复合材料缺陷的无损检测问题，诞生了许多新技术新 方法如:X射线检测，涡流检测、微波检测、超声检测等常规检测方法 9 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料常规检测方法 1.射线检测技术 10 材料中缺陷部位与无缺陷部位对射线的吸收能力不同，射线透过 有缺陷部位时，缺陷部分将会使X射线在物体内部的衰减发生改 变，且射线强度要高于无缺陷部位 I0 为入射线强度，I 为透射线强度，T 为材料厚度，为衰减系数 此方法对被检测材料要求低，检验结果简单直观，易于观察，可 以长期保存。适用于复合材料中的孔隙、夹杂物、贫胶等体积型 缺陷的检测，并且有良好的成像效果。但是针对分层缺陷等平面 型缺陷，射线能量变化小，分辨率低，检测较为困难。此外射线 检测对人身安全方面有较大的影响，操作者需要经过专门的训练 由公式可知，在入射线强度相同的情况下，透射射线的强度与材 料的厚度，衰减系数有关 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料常规检测方法 2.涡流检测技术 11 根据电磁感应原理来实现对工件的无损检测，通过检测材料内部 感生涡流的变化来对材料内部的缺陷实现定位。 当被检测金属工件存在缺陷时，就会导致感应涡流场强度发生变 化，分布发生改变，线圈阻抗也发生变化 高灵敏度，适用于检测非磁性含金属材料，可以自动对准工件探 伤，不需要耦合剂。但是其局限性表现在穿透能力弱，难以判断 缺陷的种类。又由于涡流是交变电流，因此涡流检测技术非常适 用于检测表面缺陷和近表面缺陷。 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料常规检测方法 3.微波检测技术 12 微波检测技术主要是利用波长在 0.001m 到 1m 的电磁波在非金属复合材料中穿透力强，衰减小等特 点实现对复合材料缺陷的检测 微波检测只是对常见的分层、脱粘、气孔等有较好的检测效果，该方法仅适用于对较大面积的缺陷检测 这些常规的无损检测方法解决了无损检测领域中的许多问题，各有优势，但是面对较为复杂的构 件，常规检测方法显得有些力不从心，需要寻求新方法、新技术。 因此，闪光热成像方法、错位散斑干涉法、超声红外热成像法和超声相控阵检测技术等新型检测 方法应运而生，逐步应用在这个领域。 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料新型无损检测技术 1.错位散斑干涉法 13 错位散斑干涉法可以确定材料的应力场，运用该 方法可以检测分层，脱粘，或者纤维褶皱等缺陷 激光器发出激光束照射到物体表面，通过 BS分 光棱镜将入射激光束分为两路:测量光束、参考 光束，这两束激光经反射棱镜M1 和 M2反射后 在 BS 中发生干涉，产生干涉条纹，通过 CCD 和采集卡传输图像信息到 PC 中 错位散斑干涉技术可适用于形状较为复杂的材料 ，但在抗干扰方面仍存在一些技术难题 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料新型无损检测技术 2.热成像方法 14 热成像方法可以检测出金属材料和复合材料中的多种缺陷 如:分层、脱粘等。 Levar and Hamilton 利用红外热成像检测方法检测玻璃 钢与混凝土结构的粘合质量，郑立胜等人检测出了碳纤维 复合材料中的微小裂纹，王焰等人利用脉冲式主动红外热 成像法对玻璃纤维复合材料的分层缺陷良好的检测效果。 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料新型无损检测技术 3.超声检测方法 15 使用超声检测技术对复合材料内部的各种缺陷进行 检测，还可以利用超声检测技术测量材料的厚度。 其穿透能力强，探伤灵敏度高，易于操作，快速方 便，目前在国外发达国家超声检测技术已广泛应用 在无损检测领域。 局限性: 对于形状复杂的材料或工件检测较困难，要求被测表面较光滑 需要耦合剂以减弱声波在空气中的衰减，这样可以保证声波与材料达到最大程度的耦合。 碳纤维复合材料板的厚度一般在 5mm 左右，属于薄板结构，声波在板内部传播会造成反射信号被噪声污 染且不易辨别。 碳纤维复合材料中纤维的铺设影响声场，使得声场相互作用改变了声波传播波速,针对这个问题，Wooh and Chakrapani 揭示了厚度波纹与超声偏差之间的关系。 碳纤维复合材料无损检测研究概况 碳纤维复合材料新型无损检测技术 4.超声相控阵技术 16 超声相控阵技术是通过控制超声换能器阵列中各阵元的发 射(或接收)脉冲的延迟时间来改变声波到达(或来自)物体内 某点的相位关系，实现声束偏转和聚焦 如图所，当触发脉冲到达相位控制单元后，经过延迟法则 的计算输出脉冲序列激发晶片，使晶片发出超声波，声波 进入材料内部，当声波遇到界面或者缺陷后，发生反射， 通过晶片中的接收换能器传回相位控制单元，形成合成信 号，在上位机中显示波形信号。 超声相控阵技术的优势: 速度快，可以进行电子扫描，比通常的光栅扫描快一个数量等级，提高 了检测效率，节省了检测成本; 灵活性好，一个相控阵探头能涵盖多种应用; 电子配置，通过预置文件完成不同参数调整，实现多角度，多方向扫查; 探头小巧，在检测中易于携带、使用; 可检测性强，可以对声束等进行优化，提高了系统信噪比与缺陷的分辨 率。 碳纤维复合材料缺陷识别研究概况 准确地检测缺陷并判断缺陷类型，才能对材料进行有效的修复 天津工业大学的万振凯等人对三维编织复合材料进行了超声波检测，提取超声信号，设计了一套综 合测试系统，实现了对微裂纹和树脂孔隙缺陷的识别，且识别率达到了90%; 唐桂云、王云飞等人利用超声脉冲反射法对航空航天领域使用的CFRP蜂窝夹层结构进行了缺陷的检 测和识别; 冯辅周等人研究了加权支持向量机的裂纹自动识别算法，为缺陷的识别奠定了基础。 小波包分析和神经网络技术的结合可以准确快速的对缺陷进行识别 神经网络技术的诞生使得它在图像识别、模式识别、缺陷识别等方面有了广泛的应用，成为了当下 使用最为广泛的网络模型之一 1949年D.O.Hebb提出了神经元的学习准则，为神经元算法奠定了基础。 随后，Rosenblat提出的感知器模型大力推动了神经网络的发展。 1986年Rumelhart和McCelland等人提出BP神经网络。 小波包算法的提出使得小波包在图像处理领域得到了广泛的应用。 A.katunin等人利用3D小波包分析算法实现了对多层复合材料缺陷的识别； O vanesova A V，Suarez L E 等人提出利用小波变换方法识别材料裂缝； Sun Z 等人针对结构损伤提出小波包能量分析法； 詹湘琳将小波包和神经网络结合实现了对管道环焊缝缺陷的识别。 17 展示结构 介绍了碳纤维复合材料的应用背景，由于其越 来越广泛的应用领域使得对它的检测方法的要 求也不断提高 其次介绍了碳纤维复合材料在缺陷检测和识别 领域的国内外的研究现状 背景 第一步 第二步第四步 对碳纤维复合材料仿真实验研 究进行了详细的介绍。通过声 场仿真模块选择检测参数，包 括探头中心频率、类型、尺寸 以及楔块的选型，确定超声波 声场模型。通过缺陷响应，设 置缺陷类型、大小和位置得到 缺陷成像效果。 检测方法 对本课题工作内容的总结，指 出在本课题研究中出现的不足 之处， 然后对课题的展望， 指出进一步的研究内容。 总结与展望 检测方法 在基于对超声学基础的了解上， 介绍了超声相控阵的工作原理， 对碳纤维复合材料检测展开实验 研究，详细介绍了实验的过程。 针对得到的实验结果进行了详细 的分析并指出不足 18 第三步 仿真 实验 仿真 p 超声波在碳纤维复合材料中的信号属于高频非平稳瞬态信号，针对这种信号，引入了小波 包分析，对信号进行处理分析; p 根据特征向量识别三种缺陷， 使用 BP 神经网络可以达到良好的识别效果。 总结与展望 48 课题优势： p 利用比传统超声检测方法更先进的超声相控阵技术对复合材料进行检测，可提高检测效率， 利于缺陷成像的研究，从而使检测结果更直观， 对缺陷定量更有利； p 小波包方法对碳纤维复合材料缺陷类型的区分具有一定的效果， 并且与BP神经网络的结合， 为缺陷自动识别的研究奠定了基础。 总结与展望 49 课题展望: p 仿真过程和实验中，碳纤维复合材料看作是均匀的，这样的近似在缺陷的识别定性中可以 适用，在缺陷的定量中会产生较大的误差，后续可研究碳纤维复合材料的性能参数，准确 的设置有助于更精确的检测。 p 本文提出的小波包分析和 BP 神经