（光学专业论文）碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究.pdf

首都帅范人学硕 ：学位论文碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 中文摘要 碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高比强度和高比模量 等一系列的优异性能，被广泛应用于宇航、导弹、飞机、汽车以及文体用品等各 个领域。在聚丙烯睛p a n 碳纤维的生产过程中，原丝被普遍认为是制约我国碳 纤维发展的“瓶颈”。( 引自论文摘要) 目前，高性能聚丙烯腈p a n 碳纤维基础科学问题( 项目号：2 0 0 6 c b 6 0 5 3 0 0 ) 已经成为国家重点基础研究发展项目，首都师范大学物理系参与其课题研究。本 文利用扫描电子显微镜观测原丝的纵面、断面，判断出原丝存在原纤结构。通过 观察其截面和表面，发现在原丝内部存在杂质和空隙，并分析这些缺陷对原丝性 能造成的影响。通过对比国产碳丝和进口碳丝的纵面、截面图，分析其性差距的 来源。另外提出利用锁相红外的检测方法检测单根原丝的表面热分布，以此推断 原丝的内部缺陷分布，此项工作待续。 c s i c 作为一种新型的纤维增韧陶瓷基复合材料( c f c c s ) ，具有低密度、 耐高温、高韧性、高耐磨性、高化学稳定性、高导热性和高设计容限等一系列优 点，在航空航天、核能反应堆等领域有着广阔的应用前景。目前，我国高推比航 空发动机、运载火箭和战略导弹等都对c s i c 复合材料提出了明确而迫切的要 求，这要求材料必须具有高可靠性，需要开展c s i c 的无损检测研究。 针对此种需求，本文利用红外热波无损检测技术对西北工业大学提供的 c s i c 复合材料板进行实际检测，实验过程中自行尝试了多种实验方法：包括采 用e h e r m o s c o p e 系统与e c h o t h e r m 系统分别实验，采用反射法、透射法分别实验， 采用空气中、浸水中分别实验，对结果分析对比，选取最佳。最后通过实验数据 的分析处理，得到c s i c 复合材料板预埋缺陷的相关信息。除此之外，利用x 射线检测方法对同一c s i c 复合材料板作检测，对比红外热波无损检测结果，形 成优劣对比。 关键字：p a n 原丝，c s i c 复合材料，红外热波无损检测技术，x 射线检测方 法 a b s t r a c t c a r b o nf i b e r , an o v e lm a t e r i a l ，i so fas e r i e so fe x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s l l i g hi n t e n s i t y , h i g hm o d u l u s ，h e a t - r e s i s t a n t ，a n t i e r o d i n ga n de l e c t r i c a l l y - c o n d u c t i v e t h u si ti sc u r r e n t l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s ，i n c l u d i n gn o to n l ya e r o s p a c ea n dm i l i t a r y i n d u s t r i e sb u ta l s oc i v i l i a na n da t h l e t i ca p p l i c a t i o n s s p i n n i n gi sc r u c i a lf o rp r o d u c i n g t h ep r e c u r s o rf i b e r , f o ri tl a r g e l yd e t e r m i n e st h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fc a r b o n f i b e r h i g hp e r f o r m a n c ew 蝌( p o l y p r o p y l e n en i t r i l e ) c a r b o nf i b e rb a s i cp r i n c i p l e 一 ( p r o g r a mc o d e ：2 0 0 6 c 6 0 5 3 0 0 ) h a sb e e nn a t i o n a lk e y s t o n ef o u n d a t i o ni n v e s t i g a t i o n p h y s i c sd e p a r t m e n tf r o mc a p i t a ln o m i n a lu n i v e r s i t yh a sb e e ni n v o l v e di n t h i s r e s e a r c h o b s e r v a t i o nt h ec r o s ss e c t i o n & v e r t i c a ls e c t i o no ft h es p i n n i n gw i t h e l e c t r o n i cm a c r om e t e r , g e tt h es t r u c t u r eo fr a wf i b e ri nt h es p i n n i n g t h r o u g hi t s c r o s s s e c t i o na n ds u r f a c eo b s e r v a t i o n ，w ef o u n dt h e r ea r ei m p u r i t i e sa n dg a p si nt h e s p i n n i n gt h e na n a l y z et h ed e f e c t sh o w t oe f f e c tt h es p i n n i n g b yc o m p a r i n gd o m e s t i c a n di m p o r tp a nf i b e r sv e r t i c a ls u r f a c ea n ds e c t i o n ，f i n dt h es o u r c eo fd i f f e r e n c e s i n a d d i t i o n ，w ep r o p o s et od e t e c tt h es i n g l es p i n n i n gb yl o c k - i ni n f r a r e dd e t e c t i o na n d i n f e rt h ei n t e r n a ld e f e c t s t m sw o r kt ob ec o n t i n u e d c s i c ，an e wt y p eo fc f c c s ，h a sp r e f e c tp e r f o r m a n c es u c ha st h el o w e rd e n s i t y , h i g ht e m p e r a t u r ed u r a t i o n ，h i g ht o u g h n e s s ，h i g ha b r a s i o n ，h i g he r o d e ，h i g hh e a t c o n d u c t i v i t y , a n da b r o a dd e s i g nl i m i t a t i o no ra p p l i c a t i o nf i e l dl i k ea e r o s p a c e n a v i g a t i o n ，n u c l e a re n e r g yr e a c t o r w eh a v et h ec l e a ru r g e n tr e q u i r e m e n t so ft h e c o m p o s i t em a t e r i a lc s i c ，e s p e c i a l l yw i t ht h eh i g hr e l i a b i l i t y w en e e dt o u s et h e c s i co nt h ea e r o e n g i n e ，l a u n c hv e h i c l ea n ds t r a t e g i cm i s s i l e w en e e dt os t a r tt h e n o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o n ( n d e ) r e s e a r c ha b o u tt h ec s i c w ee x a m i n e dt h ec o m p o s i t em a t e r i a lc s i cs a m p l es h e e ts u p p l i e db y 脚u ， n o r t h w e s t e r np o l y - t e c h n i c a lu n i v e r s i t y , w i t hi n f r a r e dh e a tw a v en d e w et r i e da c o u p l e o fe x a m i n a t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n gc o m p a r ee x a m i n a t i o nb e t w e e n e h e r m o s c o p es y s t e m &e c h o t h e r ms y s t e m ， c o m p a r e e x a m i n a t i o nb e t w e e n n r e f l e c t i o n & t r a n s m i s s i o n ，e n v i r o n m e n te x a m i n a t i o nc o m p a r eb e t w e e na i r & w a t e r , a f t e ra b o v ec o m p a r ee x a m i n a t i o n ，a n dw es e l e c t e dt h eb e s tr e s u l t t h e n ，w ea n a l y z e d t h et e s td a t a ，g o tt h er e l e v a n td i s f i g u r e m e n ti n f o r m a t i o no ft h ec s i c a l s o ，w ec a nd o t h ec o m p a r ee x a m i n a t i o nw i t ht h e x - r a ya n di n f r a r e dh e a tw a v en d ea n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et w ot e c h n o l o g i e sw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：p a nf i b e r ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a lc s i c ，i n f r a r e dh e a tw a v e n d e ，x r a yt e s t i n gw a y 1 1 1 首都帅范大学顾l j 学位论义碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 图表目录 图2 1 脉冲加热示意图9 图2 2 镜像法示意图1 0 图2 3 半无限大试件简化图1 1 图2 4 脉冲激励红外热波检测装置。1 2 图2 5 闪光灯遮罩示意图1 3 图2 - 6 脉冲激励红外热波检测热图序列示意图1 4 图2 7 物质内部特性影响表面温度分布示意图1 5 图2 8 闪光灯脉冲激励红外热波检测系统工作原理t ：1 6 图3 1p a n 碳纤维的生产工艺流程图1 7 图3 2 聚丙烯腈原丝的生产工艺流程图1 7 图3 2 腰形截面1 8 图3 3 规整截面1 8 图3 - 4p n a 原丝的原纤结构2 1 图3 5 原丝剪切断裂图2 2 图3 - 6原纤分离图2 2 图3 7 原丝断口形貌2 3 图3 - 8 原丝表面及内部缺陷2 3 图3 - 9 大孔隙原丝截面图2 4 图3 1 0 小孔隙原丝截面图2 4 图3 1 1 国产p a n 基碳纤维的纵面图。2 5 图3 1 2 日本p a n 基碳纤维的纵面图。2 5 图3 1 3 日本p a n 基碳纤维的截面图2 6 图3 1 4 国产p a n 基碳纤维的截面图。2 6 图3 1 5 锁相检测结果2 7 图4 - ic s i c 复合材料板实物图2 9 图4 2t h e r m o s c o p e 脉冲红外热波无损检测便携系统3 0 n 首都师范人学硕 ：学位论义 碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究 图4 3 ：e c h o t h e r m1 # r 第一桢3 1 图4 4 ：e h e r m o s c o p e1 # r 第一桢3 l 图4 5 红外热波无损检测( a ) 反射法和( b ) 透射3 2 图4 - 6 反射热图3 3 图4 7 透射热图3 3 图4 8 浸水法结果3 4 图4 - 9 空气中结果3 4 图4 1 0 c s i c 板在t = o 0 6 7 s 时的原始热图一3 5 “图4 i lc s i c 板预埋缺陷线度图3 5 图4 - 1 2c s i c 板的一阶微分热图小3 6 图4 1 3 原始热图的高通滤波3 7 图4 1 4 标记点示意图3 7 图4 1 5 相应的温度时间曲线3 8 图4 1 6 相应的温度差时间对比曲线3 9 图4 1 7x 射线检测结果4 l 表3 - 1 净化、非净化结果对比一2 0 表3 - 2 原丝致密化程度与碳纤维性能比较2 0 i i i 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乐贬膨 日期：0 2 ，鲥孕占同 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：掀 日期：跏吩明 首者l j 师范人学硕l ：学位论文碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究 1 1 材料介绍 第一章绪论 ( 1 ) 碳纤维材料 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、导电、导热、抗辐射、良好的阻尼、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 度和比模量两大特性，使得它被广泛应用于航天航空、国防军事等尖端领域以及 高级体育用品、医疗器械等民用工业【1 】【4 1 ， 碳纤维及其复合材料在导弹、宇航工业方面的应用主要是作为防热材料和结 构材料，它们不仅可满足苛刻环境的要求，而且还可以大大减轻部件的重量，提 高有效载荷、航程或射程。 在航空工业领域中，一公斤碳纤维增强塑料复合材料可以代替三公斤铝合 金，从而大大减轻了飞机的重量，为生产大型现代化客机提供了条件，使其整个 飞机的比重与雪的比重大致相等：利用碳碳复合材料摩擦系数小和热容大的特 点可以制成高性能的飞机刹车装置，从而避免了钢制刹车片因受热而产生“叠焊” 的弊病。 碳纤维在体育用品方面的用量，几乎占全世界碳纤维总消耗量的4 0 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用在高尔夫球棒、钓 鱼竿、网球拍、羽毛球拍、越野赛汽车、滑雪板等方面。 近年来，随着碳纤维产量增加和价格的下降，除了应用于航天航空和文体器 材外，碳纤维在民用工业中的用量急增，被广泛应用于土木建筑、基础设施、能 源交通和运输工具、环保和农业等领域【4 1 。 碳纤维发展到今天，性能及产量都有了惊人的提高，现在主要是以美国为代 表的大丝束碳纤维的生产和以日本为代表的小丝束碳纤维的生产两大类，日本的 东丽公司生产的牌号为t 1 0 0 0 的碳纤维其抗拉强度为7 0 2 g p a ，是目前世界上强 度最高的碳纤维，高模型碳纤维以美国p e t o c a 公司生产的c a r b o n i c i 埘一8 5 沥青 基碳纤维为代表，其抗拉模量高达8 5 0 g p a 。 首都帅范人学硕：i ：学位论义碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 我国对聚丙烯腊碳纤维的研究情况不令人乐观，虽然我国碳纤维研制起步并 不晚，己有4 0 年的历史，但是由于种种原因发展缓慢，生产规模小，产品质量 不稳定，技术设备落后，特别是原丝存在的问题更多，被普遍认为是制约碳纤维 发展的瓶颈【5 】，现在国内所需碳纤维主要通过进1 3 解决。因此，从原丝出分研制 高性能碳纤维迫在眉睫。 ( 2 ) 碳纤维增强复合材料 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高温结构材 料，与其他材料比，它具有低密度、高强度、高模量和低膨胀系数等性能，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、舰船制造、核 工业、兵器工业、汽车工业、民用建筑、电力电子等领域。 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，纤维增强复合材料在断裂或损坏之前几乎没 有什么先兆，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，因而对纤维复合材料的在役无损检测就显得格外重要要【6 】- 【1 1 1 。 纤维增强基复合材料结构复杂，目前国内还只能采用超声波和x 射线等传统 检测办法。由于该材料多为超声波强吸收材料或x 光的低吸收材料，用超声波检 测，回波信号微弱，信噪比低，又常需以液体作为耦合剂，且其扫描成像速度低； 使用x 射线又只能双向使用，且设备庞大、笨重、昂贵并有放射污染。因此，复 合结构材料的研究、制造单位都希望一种快速且实用有效的无损检测技术。 热波无损检测技术探测面积大、速度快、非接触、单向检测、不污染试件和 环境、对人安全，适合于任何金属和非金属材料，特别适用于复合材料探伤，还 特别适用于对制成件的外场检测。推广这项技术，能为我国国防工业领域已经进 入研发期的一大批大型复合材料结构的研究制造单位提供一种可视化的检测技 术，可在工程现场对复合材料结构缺陷和损伤进行快速的定量检测诊断。既可作 为产品评价的依据，也为工艺分析提供参考信息。其作用体现在改进复合材料的 产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及使用的各个阶段，体现在保证复 合材料构成件的可靠性和安全性上。 2 首都师范人学硕i ：学位论文碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 1 2 红外热波无损检测技术 红外无损检测技术起始于1 9 6 0 年，当时是美国为检测固体火箭发动机界面 脱粘而开始研究的。1 9 6 5 年，在北极星a 5 固体火箭发动机上获得实际应用。之 后，美国应用红外无损检测技术对多层结构、蜂窝结构、金属疲劳裂纹及航天飞 机的零部件进行了检测。六十年代末期，苏联也开始研究了红外无损检测技术， 重点是非金属材料、金属与非金属材料的多层胶接件、蜂窝结构、纤焊及焊接质 量的检查等方面，并取得了较好的成果。 二十世纪九十年代以来，由于现有无损检测方法的不足，国际上一直在积极 探索新的复合材料无损检测技术，如红外层析检测、激光超声检测等。红外热层 析御0 技术研究在国外的开展已存十几年的历史了。由于美、俄、英、法、德等 国的航空航天工业和技术最为发达，因此，红外热层析技术研究在这些国家的开 展也最受重视。1 9 9 0 年以来，各国红外无损检测专家为提高红外检测精度，做 了不懈的努力。各种红外无损检测与评价的新技术相继涌现，使红外热成像无损 检测在无损检测领域中越来越受到重视。这些新技术包括：脉冲电视热成像 ( p u l s ev i d e ot h e r m o g r a p h y ，t r a n s i e n tt h e r m o g r a p h y ) 、l o c k i n 同步热成 像技术( m o d u l a t e dt h e r m o g r a p h y ) 、脉冲相位热成像( p u l s ep h a s e t h e r m o g r a p h y ) 、热层析法( t h e r m a l t o m o g r a p h y ) 、热波成像法( t h e r m a lw a v e i m a g i n g ) 。 近年，由首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究 院所在其承担的国家8 6 3 项目“红外热波无损检测技术在复合材料研究中的应 用 支持下，在首都师范大学物理系建立了目前国内唯一的一个红外热波无损检 测联合实验室。在2 0 0 5 年7 月底课题验收的评审意见中，评审和主题专家组一 致认为该课题的工作“在国内有领先地位”；红外热波“检测技术操作方便，检 测精度高 ；“建设了具有相当强的研发队伍，取得了对国家安全具有重要作 用的研发成果”。 1 3 本课题的提出及意义 国家重点基础研究发展项目高性能聚丙烯腈p a n 碳纤维基础科学问题 首都师范人学坝j j 学位论文 碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究 ( 项目号：2 0 0 6 c b 6 0 5 3 0 0 ) 提出： 高性能聚丙烯腈( p a n ) 基碳纤维是发展先进武器装备，如核武器、战略导弹、 卫星、航天飞行器、战机及隐形武器最主要和急需的关键材料，同时在民航客机、 清洁能源、石油工业、海洋开发、交通运输、土木建筑及体育用品等领域也有广 阔的应用，2 0 0 4 年我国进口量达到了4 0 0 0 多吨，占世界总量的l 5 强。目前我 国武器装备主要用外国产小丝束( i - 6 k ) 碳纤维，供应源极不稳定，从2 0 0 5 年 国外对我国实行了事实上的严格禁运，目前价格超过5 5 0 万元吨( t 3 0 0 ，3 k ) ， 即使国内民用领域所需的大丝束( 1 2 3 6 k ) 碳纤维进口也受到严重制约。 在近三十年来的碳纤维的科研和生产实践中，我国科研和工程技术人员付出 了艰苦的努力与经历无数次失败后，认识到在制约碳纤维发展的诸多原因中， p a n 原丝水平的落后是制约碳纤维水平提高的“瓶颈。通过实践，我国科研技 术人员对影响原丝、碳丝质量和性能的技术问题积累了大量的感性认识，对改进 和提高原丝和碳纤维性能做了许多有益的探索。近年来，国内外高分子化学、高 分子物理及复合材料学科都有了迅速发展：新的聚合理论和方法的发展；高分子 链结构的设计和控制的实现；新的高分子凝聚态理论和对凝聚态结构的更深入的 认识；高分子加工流变学和结构流变学的进展；材料微观物理和化学结构表征理 论和方法的发展，都为高质量原丝的成型及其与碳纤维结构性能深层次关系的探 知创造了有利条件。 首都师范大学物理系作为9 7 3 项目的参与者之一，承担的课题是p a n 碳 纤维微观物理性能的检测研究，针对课题要求，本人从p a n 碳纤维的微观结构 入手，进一步分析结构对其性能的影响。 连续纤维增韧陶瓷基复合材料( c f c c s ) 是一类非常有发展前景的高温结构 材料。c s i c 作为一种新型的c f c c s ，具有低密度、耐高温、高韧性、高耐磨性、 高化学稳定性、高导热性和高设计容限等一系列优点，在航空航天、核能反应堆 等领域有着广阔的应用前景。目前，我国高推比航空发动机、运载火箭和战略导 弹等都对c s i c 复合材料提出了明确而迫切的要求，这要求材料必须具有高可靠 性，需要开展c s i c 的无损检测研究，进一步提高对该新型材料缺陷的认识，使 其质量和可靠性得到更高的保证。发展适用的无损检测方法，对c s i c 材料的优 化设计、构件的优化设计、制备过程控制、成品及服役期质量、材料性能演变与 4 首都师范人学硕：i ：学位论义碳纤维、碳纤维复合村料的午：；：测和研究 表征等都具有极大意义。 针对以上研究需求，我们提出了本课题。本课题主要包括两方面的内容： 一、利用扫描电子显微镜观测原丝的纵面、断面，判断出原丝存在原纤结构。 通过观察其截面和表面，发现在原丝内部存在杂质和空隙，并分析这些缺陷对原 丝性能造成的影响。通过对比国产碳丝和进口碳丝的纵面、截面图，分析其性差 距的来源。另外提出利用锁相红外的检测方法检测单根原丝的表面热分布，以此 推断原丝的内部缺陷分布。 二、利用红外热波无损检测方法对c s i 复合材料板的检测。实验过程中尝 试了多种实验方法，其中包括：采用e h e r m o s c o p e 系统与e c h o t h e r m 系统分别实 验，采用反射法 = 弦( 尹，t ) d v ( 2 3 2 ) r m 时间内v 椭量的= 忙，掣咖 ( 2 3 3 ) 将( 2 3 ) 式带入( 2 2 ) 式得 - v q 眠痛础h ，掣p = 。 汜4 ， 上式是对一很小的体积元进行推导的，可以把积分号去掉得 可撕力+ g ( 力) 碱掣 ( 2 5 ) 将式( 2 1 ) 的g ( 尹，t ) 带入方程( 2 5 ) 可得到静止的均匀物体内含有热源的 各向同性物体的热传导微分方程 v k v 丁( 尹，f ) 】+ g ( 尹，f ) = p c v _ o t ( f , t ) o t 变形得v 尼v r e ，f ) - , a c e o t _ ( f , t ) = 一g 仃，f ) ( 2 6 ) o t t ( f ，t ) 是位于尹处t 时刻的温度，g f f ，t ) 是给介质提供热的热源方程， 七( w m k ) 是材料的导热系数。热扩散系数a ( m 2 s ) 定义为 口：土 ( 2 7 ) 口= 一 ( 7 ) p c 。 口用来测量物质传导与存储热量的能力，它是随温度和位置变化的量，但为 了简化，可视为一个常数。对于给定的物质，口值越大，对外界热环境的改变反 应越快，反之，口越小，在热环境中达到一个新的平衡所需要时间越长。 7 首都师范人学硕i j 学位论义 碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究 若假定导热系数k 为常数( 不随空间位置与温度而变化) 则方程简化为 v 2 t ( 尹，f ) + _ 1g ( 芦，f ) ：! 翌掣 ( 2 8 ) ko co t 在两介质界面解方程( 2 8 ) ，要满足两边界条件，即边界温度连续条件和 边界能量守恒条件 五= 疋 k i v r , 元= k 2 v 正元 ( 2 9 1 ) ( 2 9 2 ) 式中下标1 、2 代表相接触的两种不同材料，元是界面的单位法线方向。【1 8 】 方程( 2 9 1 ) 说明热波从介质1 传到介质2 时，在边界处没有温度突变。方程( 2 9 2 ) 说明在边界处介质1 损失的热量等于介质2 获得的热量。 为了简化讨论，以下只讨论一维热流的情况，并进一步假定所有试件的表 面无热损失，这样，边界方程( 2 9 ) 可简化为 掣k 。 j 屠j 2 ( 2 1 0 ) 实际情况下，热非均匀变化而且通常很复杂，一维热传导理论不能解释所有 的热现象，但对于我们的大多数应用，如涂层厚度测量、近表面缺陷检测等，一 维模型近似可以解决问题。 给定边界条件，为解方程还需确定热源方程g ( 尹，t ) 。通常g ( v ，t ) 可取任何形 式，对于我们研究的热波，常见的加热形式有周期加热、脉冲加热、梯型加热等。 实验所用系统为脉冲红外热波检测系统，加热形式为脉冲加热。考虑一平面 脉冲源，在t = 0 时刻加热于半无限大介质表面z = 0 处，如图2 1 所示。 首都师范人学坝j j 学位论文碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 图2 - 1 脉冲加热示意图 对于脉冲热源，热源方程g ( 尹，t ) 的一维形式可写成 g ( x ，f ) = g 万( ，) 万( 工) ( 2 11 ) q 代表单位面积的总热量常数 热传导方程( 2 8 ) 的维形式为 掣a x 一三型d tj k 弛) a ( r ) 2 口 、7 “ 方程( 2 1 2 ) 的解为 m 力2 寿p 一丢 其中c2 瓦q ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 3 1 3 ) 式对时间求导，并令望等型= 0 ，得到在任意工：x o 处，与脉冲加 ( 2 式对时间求导，并令彳2 ，得到在任意工5 处，与脉冲加 热的材料表面平行的平面温度达到最大值的时刻为 此时最大温度k = 去寺 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 上面讨论仅局限于半无限大介质，给出了介质内部( z 0 ) 的温度分布。对 9 ：卫撕 = 眦 f 首都帅范人学硕1 ：学位论义碳纤维、碳纤维复合材料的柃测和研究 于应用而言，我们的主要目的是探测，定量测量或描绘表面下的温度分布。对于 远程或非接触技术，只能察觉到被测物体表面的红外射线，那么对于厚度有限大 介质在其表面( x = 0 ) 的方程的解也是需要的。可以采用无穷热源分别作用于介 质边界的方法即镜像法解决此问题，如图2 2 所示。 qqqq 0 qqq 2 n d 4 d 0 d2 d4 d 图2 2 镜像法示意图 将每一热源的贡献简单相加，得位于工处t 时刻的温度 2 n di 门 ， ( j 一2 村) 。( x + 2 n d ) m 5 击一善 e t 托t 】) ( 2 1 6 ) ( 2 1 6 ) 式满足热传导方程( 2 1 2 ) 和边界条件( 1 0 ) ，则在介质前表面工= 0 处( 2 1 6 ) 式为 。( 2 耐) 2 聊) 2 丽c 1 + 2 善p 百】 ( 2 - 1 7 ) 上式可分为两项，第一项表示试件表面温度随时间的增加而逐渐降低；第二 项表示脉冲传播的n 次反射，传播了2 n d 的距离回到介质前表面。 实际情况下，在给定介质中，热波衰减非常迅速，高次( n 1 ) 的反射项在 大多应用中都被忽略。 假设脉冲热源加热一半无限大介质，介质中一部分有限厚度为d ，如图2 3 所示。忽略高次反射项后，由( 2 1 7 ) 式得在介质前表面工= 0 处 t o ( 。，f ) = 丽c 1 0 ( 2 1 8 ) 首都k 域i 位* 女 碱纤镕、纤维复o # 的柠d $ f 究 w ，归了去 1 + 2 e 图2 _ 3 半无限人试件简化图 ( 2 1 9 ) ( 21 8 ) 、( 21 9 ) 两式相减可得材料不同厚度处对应的表面温差 a ，：t ( o 一一矗( 仉f ) ：毒p 鲁 ( 22 0 ) m一 式( 22 0 ) 蜕明，不同材料表面及表面下的物理特性将影响热波的传输，以 某种方式在材料发面的温度场变化上反映出来材料不同厚度处存在温差，温差 屉大处对应的温度变化率为0 ，将( 22 0 ) 式对求导并得0 ，得i 最大温差的时 问 2 d 2 一2 了 ( 22 1 ) 对应的最大温差为 吧= 去 确定了最大温差出现的时间一，就可以通过( 2 2 1 ) 式得出缺陷的深度信息。 2 2 脉冲激励红外热波检测系统 脉冲激励红外热波无损检测系统( 如图2 - 4 所示) 主要由红外热像仪、热激 励系统和计算机图像处理系统三部分组成。 * 都帅缸人学mj ：学论文 碾纤维、纤镕复0 柑抖的榆女f 和目f a 图2 - 4 脉冲激励红外热波检胡4 装置( 引自t w l ) 1 、热激励系统 两氙灯安装在可手持的探测装置内，作为脉冲热源，如图2 - 5 所示，瞬间产 生平面可见光热源加热被测物表面，光脉冲的宽度为2 m s 。闪光灯能量由两个规 格相同、功率可调的电容提供，分九个等级，可以提供的最大能量为9 6 0 0 焦耳， 可根据需要选取不同等级的能量。闪光灯外面的遮罩用来收集更多的光能，防光 扩散，使箱内形成匀光环境，这样不仅可以高效地加热被检测物体，还可以保护 人的眼睛防止强光直接照射。 占都口m 扎大学碰 ：学位论史 碳纤维、碳纤绻复材料椅测和州n 圈 譬霪睡 鳗翼蓝i 督髦艘 - - - _ _ _ _ _ _ - - 一 ，1 o 图2 - 5v , j 光灯遮罩示意图 2 、红外热像仅 红外热像仪用于记录热脉冲作用后试件表面的温度场变化，其型号为 f l i r s c 3 0 0 0 ，该热像仪采用制冷型量子阱红外光电探测器技术，工作波段为 8 9 p m ，提供分辨率为3 2 0 x 2 4 0 像素的图像，温度灵敏度o0 3 c ( 室温下) ，热 像仪可根据需要选用不同的镜头，包括平角镜头，4 5 度j “角镜头和显微镜头。 3 、计算机图像处理系统 计算机配置为p m 24 g 双c p u 处理器，使用w i n d o w s x p 系统及专用热波 成像软件。该软件可咀完成热激励能量、触发控制、热像仪采集时间、采集频率 等实验条件控制及对数据的处理和图像的再现、分析等。能够保存多种文件格式 的文件，包括数据包文件、动态a v i 热图序列和静态b m p 图片等。同时实验 室开发软件i n s p e e l r , 实现不同需求的检测。图2 - 6 所示为脉冲激励红外热波检测 热囤序列示意图，热图序列前几帧是脉冲闪光前的表面温度分布记录，通常在数 据处理中不作为有效数据。每次实验根据实验条件即采集时间和频率得到n 帧 ( 频率时间) 热图序列。图像处理、分析软件允许用户进一步调整帧频和感兴 趣区域，髓着红外热波无损检测技术的发展，软件的各项功能得到不断的完善和 日自世 学舰i ? 学位* 纤维碳纤维复0 4 椅自“ 更新 2 3 系统工作原理 釜掣 蝻 “芝_ _ 图2 - 6 脉冲激励红外热波检测热图序列示意囱 由热波理论知，热波是( 传播中) 随时间周期性变化的温度场。j 任何波动 样，热波在媒介中 1 特定的传输规律并在其传输过程中会与媒介材料柱生相互 作用。脉冲激励热波检测是目前发展较为成熟的一种技术，研究表明当试件被埘 光灯脉冲热源加热后，不同物体的内部温场在趋于热平衡的过程中变化方式不同， 其表血温场的变化方式也不同，这不仅与物体材料有关，也受到物体内部不均匀 性的影响。 大多情况下，局部的缺陷使得热非均匀传播，此处热波将会发生散射和反射 等以某种方式在材料表面的温度场变化上反映出来，如图2 7 所示，虚线代表 材料表面的温度分布，热扩散系数g = x p e 。( 27 ) ，代表物质传热与存储热量 的能力。通常对于给定材料，t 2 视为常数，材料口的值越大，对外界热环境的改 变反应越快，材料内部的缺陷或损伤的口值不同，热波传输差异得鲥的豪面温场 数据值不同。当热波在传输过程中遇到隔热性缺陷时即缺陷的热扩散系数小于 本体材料的热扩散系数时，热量将会在缺陷上方材料表面发生积聚，使该处温度 高于周围区域。反之，当热波在传输过程中遇到导热性缺路时，即缺陷的热扩散 首都师范人学硕i ：学位论文碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 系数大于本体材料的热扩散系数时，缺陷上方材料表面热量向下扩散更容易，使 该处温度低于周围区域。 均匀物质内部无缺陷多亏尹专等尹工于矸表面温度分布 非均匀物质隔热性缺陷 a 缺陷 伍本体村辩 表面温度分布 非筹冤攀帝定一栖激黼 图2 7 物质内部特性影响表面温度分布示意图 材料表面的温度场变化导致材料表面红外辐射能力的差异，红外辐射载有材 料的特征信息，利用红外热成像技术记录材料表面的红外辐射并将人眼不可见的 红外辐射转化成可见的温度图像。通过控制热激励方法和记录材料表面的温场变 化，将可以获取材料的均匀性信息及其表面下的结构信息，于是达到检测和探伤 目的【1 7 】【1 引。 具体到脉冲红外热波无损检测系统，其工作原理如图2 2 所示，以检测预设 有隔热型缺陷的试件为例，如图2 8 所示 ”】。 ( 1 ) 高能闪光灯脉冲瞬间产生平面热源加热被测物表面； ( 2 ) 热波在试件内传导，在隔热型缺陷处受阻； ( 3 ) 热量在缺陷上方试件表面发生积聚，与其它区域出现温差。最大温差 出现的时间以及最大温差值2 1 节中已推导出； ( 4 ) 利用红外热像仪记录材料表面的红外辐射； ( 5 ) 计算机将采集到数据进行处理数据并显示图像。 1 5 首都师范人学硕：l 学位论文 碳纤维、碳纤维复合材料的检测和研究 图2 8 闪光灯脉冲激励红外热波检测系统工作原理 1 6 首都师范人学硕i j 学位论文碳纤维、碳纤维复合材料的榆测和研究 第三章碳纤维的微观结构及性能 3 1 聚丙烯腈原丝的制备 聚丙烯睛碳纤维的主要生产工艺【2 0 】。【2 4 1 ，如图3 1 ， 丙烯腈单 体共聚单 体引发剂 聚合纺丝 磊黜。体中一碳1 0 0 黼0 - , 1 5 0 0 度惭) 母蓁3 上上 卤由 图3 一lp a n 碳纤维的生产工艺流程图 在碳纤维的生产过程中，原丝是影响碳纤维质量和生产的关键因素。只有符 合理想结构特征的有机p a n 原丝才能通过预氧化、碳化制得高性能碳纤维。可 见，揭示p a n 原丝的微观结构是研制高性能碳纤维的重要基础性研究。将丙烯 睛( a n ) 、衣康酸( n ) 、丙烯酸甲脂( m a ) 按一定配比混合，制得纺丝溶液，经脱 单、脱泡、过滤再经计量泵后通过喷丝板进入凝固液中，经过牵伸，水洗，上油， 烘干，热定型，卷绕制得p a n 原丝点【3 1 1 。聚丙烯睛原丝的生产工艺流程如图3 1 所示。 图3 - 2 聚丙烯腈原丝的生产工艺流程图 1 7 首都师范人学埘i 。学位论止 碳纤维、碳纤维复材料f l 匀捡侧和u f 兜 3 2 原丝结构特性与碳纤维结构性能的关系 材料的结构决定材料的性能，同样，纤维的结构特性( 如纤维的取向度、结 晶度和结构均匀性等) 是影响纤维性能的主要因素经过多年的研究，各国研究人 员己达成共识，即原丝的性能决定了碳纤维的性能。因此，原丝的结晶状态、取 向度和结构均匀性等结构特性影响碳纤维的性能。 ( i ) 聚丙烯腊原丝的聚集态结构与碳纤维结构性能的关系 聚两烯腈原丝的聚集态结构经过预氧化碳化后仍然有很大程度的保留。在原 丝预氧化过程中，原丝结晶区和纤维取向都基本保留下来，这对碳纤维结构有很 大影响。原丝的晶粒大小及均匀性，与所得碳纤维的微晶结构息息相关。因此， 在制各原丝过程中，如何提高原丝的结晶度和取向度如何降低晶粒尺寸、提高 晶粒均匀性是获得高性能原丝的一个关键技术。 ( 2 ) 聚丙烯睛原丝的形貌与碳纤维结构性能的关系 原丝的形貌( 截面形貌、皮芯结构) 影响碳纤维的结构和性能。原丝截面越趋 于圆形，所得碳纤维的性能越好。因为圆形截面的原丝在预氧化碳化时反应均匀， 而非圆形截面部能产生应力集中。从而降低碳纤维的强度。原丝的皮芯结构将导 致碳纤维内部缺陷增加，使碳纤维的性能下降。在纺丝过程中，丝条凝固是一个 双扩散过程，双扩散首先在丝条表层进行，表面先形成薄膜，该膜使双扩散过程小 利于向芯部进行，致使原丝表层致密、芯部疏松，形成皮芯结构。原丝直径越粗 皮芯结构越严重，原丝性能越低，使最终所得碳纤维性能较低口5 1 嘲。 翻 图3 - 2 腰形截面 图3 - 3 规整截面 3 ) 聚丙烯腈原丝的纤度与碳纤维站构性能的关系 首吉|