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由于制作預浸料層合板過程中對空氣的機械夾雜和結(jié)構(gòu)組分受熱揮發(fā)引起的內(nèi)部成核,導致復合材料構(gòu)件內(nèi)部會不可避免地形成孔隙??紫妒菑秃喜牧献畛R娨约皩κ褂眯阅苡兄匾绊懙娜毕?。研究表明,無論何種樹脂、何種纖維與纖維表面處理方式,孔隙率(單位體積內(nèi)所含孔隙的體積百分數(shù))每增加1%,復合材料的層間剪切強度便下降5%- 15%,其他如彎曲強度、縱/橫向拉伸強度等性能也均受到一定影響。對孔隙率的鑒定是判斷復合材料質(zhì)量的重要指標。依據(jù)構(gòu)件重要程度不同,先進復合材料孔隙率要求控制的水平也有差異。但對于大多數(shù)復合材料來說,2%的孔隙率已經(jīng)成為能不能接受的臨界值?,F(xiàn)在的無損檢測也主要集中于提供能檢測孔隙含量為1%-5%的檢測技術(shù)。
1.衰減法
復合材料孔隙率無損檢測方法主要有紅外成像法、射線檢測法、微波檢測法及超聲檢測法等,其中超聲測試方法方便、快捷,是一種尤為重要和有效的孔隙率測試手段。超聲波法檢測復合材料孔隙率主要包括衰減法、聲速法和背散射法等。其中衰減法由于原理明確、實現(xiàn)簡單而且受纖維含量等的影響較小,因此受到較多關(guān)注。
Stone和Clarke較早開展用超聲波衰減法來進行孔隙測定的實驗。他們針對由含60%HTS碳纖維和ERLA4617/DDM樹脂的預浸料制備而得的一系列復合板,做了大量的實驗工作。在試樣制備過程中通過施加不同壓力得到不同的孔隙率。然后,用三對中心頻率分別為2.5MHz、5MHz、7MHz的探頭,采用透射法對試樣進行衰減測量。假定樹脂種類、纖維含量對衰減的影響可以忽略;纖維表面經(jīng)過處理,纖維與樹脂結(jié)合得很好,這樣衰減只隨孔隙率變化。分別測得試樣的超聲波衰減結(jié)果以及相應的孔隙率(酸蝕法測得),并在直角坐標圖中標出,然后進行曲線擬合。分析實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn) 和孔隙率P近似成平方關(guān)系,得到經(jīng)驗公式:
。給定頻率下,k為常數(shù);當頻率變化時,可以將k近似表示成指數(shù)形式,因而
與P的關(guān)系又可以表示成:
。實驗觀察發(fā)現(xiàn),對于用預浸料制備的復合板,當孔隙率P≤1.5%時,孔隙是由揮發(fā)物質(zhì)引起的,孔隙呈球形,直徑在5~20μm之間,孔隙率P越大,孔隙直徑越大;當孔隙率P≥1.5%時,孔隙是由空氣引起的,孔隙被壓平和拉長。鑒于此種情況,Stone和Clarke采用雙線性函數(shù)表示了衰減與孔隙率之間的關(guān)系:
式中,在給定頻率下是常數(shù)。圖7-2表示雙線性模式的計算結(jié)果和實驗結(jié)果。由圖中可以看出這種模式的計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合得非常好。
Stone和Clarke的實驗結(jié)論和經(jīng)驗公式至今仍被研究復合材料孔隙率的學者當成經(jīng)典,進行參考和引用。
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