碳纤维复合材料管的常见损伤及其无损检测方法

碳纤维复合材料管的常见损伤及其无损检测方法

由于复合材料结构的复杂性、组分的多样性、物理性能的各向异性及声衰减严重等缺点使得用于检测金属构件的方法不能简单应用于复合材料的检测。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的结构材料简称碳纤维复合材料。碳纤维主要是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。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

本文研究的碳纤维复合材料管是有碳纤维和环氧树脂粘合而成的，具有一般碳纤维复合材料的性质。

在复合材料制件的制造和使用过程中产生各种缺陷与损坏，影响复合材料的可靠性，制约了复合材料的应用。通常出现的缺陷种类有：空隙、杂质、纤维卷曲、富脂或贫脂、分层。此外存在的缺陷还有：裂纹、疏松、纤维体积百分比超差、纤维/基体界面结合不好、铺层搭接过多等。

空隙是材料成型过程中形成的空洞，是复合材料的主要缺陷之一。一般分为延单纤空隙和层板间空隙。空隙一般呈柱状，空隙与纤维轴向平行。空隙产生的原因一般分为如下几点：1：树脂与纤维浸润性差，空气难以挤压出去；2：稀释树脂使用的溶剂、树脂中的低分子组分在加工过程中的挥发。除此之外，固化过程中树脂的化学反应也有挥发物；3：成型工艺不合理，固化压力过低都导致空隙的产生。空隙含量的分布与树脂类型及粘度、挥发物组分、固化温度、压力机及时间有关。

分层即层间的脱胶或开裂，是复合材料构件的主要缺陷之一。此类缺陷较大，呈面状分布，是超声检测最易发现的缺陷，同时分层缺陷也是复合材料中危害最大的缺陷类型。

超声波检测法是广泛用于材料探伤的常用方法，也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。它主要是利用材料本身或缺陷的声学性能对超声波传播的影响，来检测材料内部和表面的缺陷，如气泡、分层、裂纹、脱粘。

由于缺陷的存在，超声波信号在缺陷处被反射（或散射），造成超声反射信号的出现，缺陷波在信号发射波与反射波之间出现的，根据超声反射信号幅度，检测材料内部缺陷。这种方法能够检测出符合材料中的裂纹、脱粘、空隙、分层等缺陷。但是通常的超声脉冲反射法对材料进行无损检测时，存在检测盲区，检测盲区的大小由探伤系统发射的超声脉冲宽度决定，减小超声脉冲宽度是减少检测盲区的最有效方法。在金属材料探伤中，由于检测工作可在材料加工前进行，一般允许存在一定的检测盲区。而符合材料出现后，一般不再进行加工的特点决定采用脉冲反射方法对复合材料构件无损检测，必须严格控制检测盲区，采用超声脉冲发射系统可以有效减小检测盲区。

               图1 脉冲反射法检测缺陷示意图

超声脉冲透射法与超声脉冲反射法基本相同。由于超声波在缺陷处被反射或散射，造成超声穿透信号的能量衰减。而后根据超声穿透信号幅度检测材料的内部缺陷。这种方法对复合材料中贫胶疏松等缺陷有良好的检测效果。

超声脉冲反射法和超声脉冲透射法是目前应用最广泛的复合材料无损检测方法。这两种方法对分层、裂纹、疏松、树脂集聚、纤维集聚等复合材料的主要宏观缺陷有较高的检测灵敏度和可靠性。

               图2  透射法检测缺陷示意图

由于管材表面曲率较大，实验室所有低频率探头直径最小的为25mm，直接接触法耦合极差，回波较低，杂波多，无法确定缺陷，因此不能使用直接接触法检测工件；通过实验，得知透射法能有效检测出分层等平行于表面的面积型缺陷，但是透射法只能检测端口部分位置，对于管材内部由于探头无法深入内部，故不能检测，所以不适用透射法。可以采用水浸法检测，这样就能有效解决耦合较差的问题，且探头直径大对检测结果无影响。检测示意图参见图3

                图3 水浸法检测示意图

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