编织复合材料缺陷形态分析# 5页

中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn编织复合材料缺陷形态分析基金项目：国家自然科学基金（51075358）；浙江省自然科学基金（LQ12E05018）；高等学校博士学科点专项科研基金（201001011200155）李钊1，杨辰龙1，陈越超1，郑慧峰2作者简介：李钊（1986－），男，博士生，主要研究方向：信号处理和无损检测通信联系人：杨辰龙（1974-），男，副教授，主要研究方向：复合材料超声检测，超声成像.E-mail:yclzju@163.com1.51.51.5TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027;TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027;TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027;ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310027浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027;中国计量学院，杭州310027310027;310027;;13567132159;13588745549;;0571-87952516;0571-87952516;;浙江省杭州市浙大路38号浙江大学玉泉校区教一104室;浙江省杭州市浙大路38号浙江大学玉泉校区教一104室;;lizhaoaza@163.com;yclzju@163.com;cyczju07@gmail.com;zhenghui-feng@163.com李钊（1986－），男，博士生，主要研究方向：信号处理和无损检测;杨辰龙（1974-），男，副教授，主要研究方向：复合材料超声检测，超声成像;;李钊;杨辰龙;陈越超;郑慧峰LiZhao;YangChenlong;ChenYuechao;ZhengHuifeng杨辰龙国家自然科学基金（51075358）；浙江省自然科学基金（LQ12E05018）；高等学校博士学科点专项科研基金（201001011200155）1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*VIZZINIAJ.Strengthoflaminatedcompositeswithinternaldiscontinuitiesparalleltotheappliedload[J].AIAAJournal,1992,30(6):1515-1520.2*|*期刊*|*JEONGH.Effectsofvoidsonthemechanicalstrengthandultrasonicattenuationlaminatedcomposites[J].JournalofCompositeMaterials,1997,31(3):276-291.3*|*期刊*|*高晓进,张峥.CFRP中孔隙几何形貌与超声衰减系数关系的研究[J].材料工程,2012,(7):59-63.4*|*期刊*|*牟云飞,林莉,郭广平等.CFRP随机孔隙模型及孔隙率超声检测数值模拟[J].材料工程，2010,(1):54-57.5*|*学位论文*|*田宏涛.碳纤维复合材料孔隙几何形貌定量分析与研究[D].大连:大连理工大学,2012.6*|*期刊*|*华志恒,周晓军,刘继忠.碳纤维复合材料(CFRP)孔隙的形态特征[J].复合材料学报,2005,22(6):103-107.7*|*期刊*|*刘继忠,蒋志峰,华志恒.含孔隙形态分布特征的孔隙率超声衰减测试建模[J].航空材料学报,2006,26(2):67-71.8*|*期刊*|*顾轶卓,张佐光,李敏等.复合材料变厚层板热压成型缺陷类型与成因实验研究[J].复合材料学报,2008,25(2):41-46.9*|*期刊*|*邓火英,张佐光,顾轶卓.L形层板真空袋成型缺陷的实验研究[J].复合材料学报,2007,24(8):34-39.10*|*期刊*|*刘谦,李嘉禄,李学明.三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究[J].材料工程,2000,(8):3-6.11*|*专利*|*FRANKKKo,CHRITIPHERMP.Structuralandpropertiesofanintegrated3-Dfabricforstructuralcomposite,RecentAdvancesonCompositesintheUSandJapan[P].ASTMSTP864,1985,428-439.12*|*技术标准*|*GB3365-82碳纤维增强塑料孔隙含量检测方法(显微镜法)[S].|1|李钊|LiZhao|浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027|TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027|李钊（1986－），男，博士生，主要研究方向：信号处理和无损检测|浙江省杭州市浙大路38号浙江大学玉泉校区教一104室|310027|lizhaoaza@163.com|0571-87952516|13567132159*|2|杨辰龙|YangChenlong|浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027|TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027|杨辰龙（1974-），男，副教授，主要研究方向：复合材料超声检测，超声成像|浙江省杭州市浙大路38号浙江大学玉泉校区教一104室|310027|yclzju@163.com|0571-87952516|13588745549|3|陈越超|ChenYuechao|浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027|TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027||||cyczju07@gmail.com|||4|郑慧峰|ZhengHuifeng|中国计量学院，杭州310027|ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310027||||zhenghui-feng@163.com||编织复合材料缺陷形态分析|DefectsCharacteristicsofBraidedComposite|国家自然科学基金（51075358）；浙江省自然科学基金（LQ12E05018）；高等学校博士学科点专项科研基金（201001011200155）-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn（1.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州310027；2.中国计量学院，杭州310027）-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn摘要：对混杂编织复合材料进行金相观察，分析了主要缺陷类型和孔隙形态，并利用数据统计和分析的方法，对孔隙形态进行了统计分析。结果表明：编织复合材料存在大量的富脂区，并有微裂纹存在，纤维层间有分层现象；孔隙主要分布在树脂区和层间，以小的分布式球形孔隙为主，富脂区域容易出现集中孔隙；孔隙数量的增加是导致孔隙率增加的主要原因，随孔隙率的变化，孔隙形态参数变化不大，孔隙长度、宽度与孔隙含量之间均存在近似对数正态分布关系。关键词：编织复合材料；孔隙率；统计分析中图分类号：TB332-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnDefectsCharacteristicsofBraidedCompositeLiZhao1,YangChenlong1,ChenYuechao1,ZhengHuifeng2(1.TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027;2.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310027)-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnAbstract:Basedonmetallographicobservationofhybridbraidedcomposites.Themaindefectsandporemorphologywasanalyzed.Thentheporemorphologywasstatisticallystudiedasthemethodofdataanalysiswasused.Theresultsshowthatlargeareaofrichresinoccursandseveralmicro-cracksexistsinthismaterial,andtherearestratificationsbetweenlaminates.Thedistributedsphericalporeswhicharesmallmainlydistributeinresinandinterlayer,andconcentrationporesdistributeinrichresinarea.Theincreasedporequantityisthemainreasonofincreasedporosity,andthechangerangeofporeparametersissmallwhileporositychanges.Thelognormaldistributionrelationshipsexistbetweenlengthorwidthoftheporeswithporosity.Keywords:Braidedcomposits;Porosity;Statisticalanalysis-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn0引言编织复合材料制造工艺复杂，并且存在诸如变厚度区域等复杂的形状，因而材料中会存在各种缺陷，从而对材料的性能产生影响[1,2]。目前针对复合材料的微观缺陷研究大都集中在层板复合材料：高晓进对层板复合材料孔隙形态与超声衰减关系进行研究[3]；牟云飞、田宏涛、林莉等对孔隙率进行定量分析，并对复合材料进行三维建模[4,5]；华志恒、周晓军、刘继忠等对平板复合材料进行金相观察，并对孔隙率进行统计分析[6,7]；顾轶卓、邓火英等对变厚度层板和L型层板的缺陷类型进行分析，并研究了缺陷形成机理[8,9]。对编织复合材料的研究大都集中在力学、拉伸、屈曲等性能分析[10,11]，而其孔隙率建模以及无损检测等方面的研究还相对较少。本文对变厚度混杂编织复合材料进行金相观察，对比层板复合材料，分析了-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn编织复合材料的微观形态和主要缺陷类型，并对孔隙率及孔隙形态特征进行分析统计。研究结果为正确建立编织复合材料孔隙率的超声检测模型提供基础，为编织复合材料超声检测新方法的提出和改进提供依据。0试验材料与方法0.1试样试样采用某飞机制造公司提供的泡沫芯夹层结构，上下蒙皮材料为碳纤维/玻璃纤维混杂编织复合材料，其中外表面为曲面形状，内表面为不规则曲面，截面形状为变厚度。图1试样描述1.泡沫芯2蒙皮Fig.1Descriptionofsample1.Foamcore2.Skin0.2试验方法截取蒙皮部分6个试块，对每个试块的各个面进行打磨、抛光处理后，在显微镜上进行金相观察，对每个试块每次拍摄20～30张照片，对拍摄的金相照片采用金相分析软件进行分析和统计，图2为一组典型形态的缺陷金相照片。(a)编织复合材料微观形态(b)富脂现象(a)Microstructureofbraidedcomposites(b)Richresinarea(c)分层现象(d)富脂中的集中孔隙(c)layeredbetweenlaminates(d)Concentrationporesinrichresinarea图2典型缺陷的形态特征Fig.2Morphologyoftypicaldefects-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn实验采用江苏南光电子科技有限公司提供的NK-5000型倒置金相显微镜，图片分析采用NK-100金相分析软件，孔隙率的测定参照GB3365-82[12]。0试验结果与讨论0.1缺陷分析与层板复合材料相比，编织复合材料树脂含量较高，富脂主要存在于以下三个区域：变厚度侧靠近表面的富脂，交织的纤维束之间的富脂和纤维分裂处的富脂。这些区域易出现纤维分布不均以及纤维难以完全填充的现象，因而成型过程中树脂容易在这些区域堆积形成富脂区。此外，由于富脂区强度低，当受冲击和长期疲劳时容易产生微裂纹，而裂纹的存在将使该区域材料的力学性能大大降低。纤维层间易产生分层现象，由于纤维分布不均，纤维层间容易产生应力集中而形成分层，分层是先进复合材料中最为严重的缺陷类型，它通过降低材料的压缩强度和刚度影响结构的完整性。0.2孔隙形态编织复合材料中孔隙多分布在树脂区，以球形孔隙为主，同时也存在扁平状孔隙以及其它不规则形状的孔隙，并且富脂区容易出现大面积集中孔隙。孔隙形成的原因有很多种，树脂浸润性差空气难以挤压出去、树脂中的低分子组分在加工过程中的挥发，以及固化过程中树脂的化学反应产生的挥发物，均可造成树脂中孔隙的出现。纤维层间以及纤维和树脂间存在球形和扁平形孔隙，孔隙较小时多为球形，这些地方为纤维搭接处，制造过程中纤维束难以完全填充因而容易夹杂空气，同时由于应力不同孔隙形状也存在差异；而孔隙较大时，基本呈现出扁平状。观察发现，大面积扁平形孔隙数量相对较少，小的球形孔隙占主要部分。此外，纤维层内也存在孔隙，以圆形或不规则形的小空隙为主，且大多分布在铺层的碳纤维中，玻璃纤维及铺层中孔隙含量较少。0.3孔隙分布统计利用金相分析软件对拍摄到的金相照片进行分析和统计，所得结果如表1所示，其中统计数据包括孔隙率、孔隙长度和宽度、孔隙面积，同时取宽度与长度的比值作为孔隙的形状因子。表1孔隙统计特征Tab.1StatisticalcharacteristicsofporesNo.Porosity/%Length/Avg.length/Width/Avg.width/Avg.ratioAvg.area/10.6213～16135.147～8221.480.61506.0520.8813～21037.095～12022.920.62614.0231.3116～38738.7710～17226.610.69618.5041.7314～24044.388～11427.840.64762.2452.0519～27844.108～9927.630.63889.0862.3723～26352.9410～9233.600.631045.17由表1可以看出，编织复合材料随着孔隙率的增加，孔隙的面积、长度和宽度均存在增大的趋势，但与层板复合材料相比，长径增加范围相对较小，而短径增加范围相对较大。孔隙率从0.62％增加到2.37％时，长径平均值增加了51％，短径平均值增加了56％，而层板复合材料孔隙率从0.8％增加到2.8％时，长径平均值增加了164％，短径平均值的大小几乎不变[9]-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn。另外，随着孔隙率的增加，一些大面积孔开始出现，以扁平型和椭圆形为主，但数目较少。(a)孔隙长度与孔隙率统计特征(b)孔隙长度对数与孔隙率统计特征(a)Statisticsofporelengthandporosity(b)Statisticsofnaturelogofporelengthandporosity图3孔隙统计特征Fig.3Statisticalcharacteristicsofpores经统计，随着孔隙率的增加，孔隙数目明显增多，以试块1和试块5为例，二者统计的图像张数相同，而试块5的孔隙数量比试块1多了1.85倍，在孔隙平均面积变化不大的情况下，孔隙数目的增多是造成孔隙率增大的主要原因。此外，通过形状因子可以看出，各种孔隙率下孔隙的平均宽长比基本相同，孔隙形态基本相似。对单个样本进行分析统计，当孔隙数量足够多时，孔隙的长度、宽度和面积均表现出了对数分布的特征，而当取自然对数作为横坐标、取孔隙含量作为纵坐标做图时，统计结果呈现出高斯分布，由此可知，孔隙长度、宽度与孔隙数目含量之间均存在近似对数正态分布关系。图3为试块5孔隙长度的统计结果。0试验结果与讨论(1)编织复合材料易出现富脂区域，且富脂区容易出现微裂纹，纤维层间有分层现象；(2)编织复合材料孔隙含量较低，主要分布在树脂区和层间，以小的球形孔隙为主，富脂区域容易出现集中孔隙；(3)随着孔隙率的增加，孔隙平均长度、宽度和面积有小幅度增加，但仍以球形为主，孔隙数量的增加是导致孔隙率增加的主要原因；孔隙长度、宽度与孔隙含量之间均存在近似对数正态分布关系。-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[参考文献](References)-5-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[1]VIZZINIAJ.Strengthoflaminatedcompositeswithinternaldiscontinuitiesparalleltotheappliedload[J].AIAAJournal,1992,30(6):1515-1520.[2]JEONGH.Effectsofvoidsonthemechanicalstrengthandultrasonicattenuationlaminatedcomposites[J].JournalofCompositeMaterials,1997,31(3):276-291.[3]高晓进,张峥.CFRP中孔隙几何形貌与超声衰减系数关系的研究[J].材料工程,2012,(7):59-63.[4]牟云飞,林莉,郭广平等.CFRP随机孔隙模型及孔隙率超声检测数值模拟[J].材料工程，2010,(1):54-57.[5]田宏涛.碳纤维复合材料孔隙几何形貌定量分析与研究[D].大连:大连理工大学,2012.[6]华志恒,周晓军,刘继忠.碳纤维复合材料(CFRP)孔隙的形态特征[J].复合材料学报,2005,22(6):103-107.[7]刘继忠,蒋志峰,华志恒.含孔隙形态分布特征的孔隙率超声衰减测试建模[J].航空材料学报,2006,26(2):67-71.[8]顾轶卓,张佐光,李敏等.复合材料变厚层板热压成型缺陷类型与成因实验研究[J].复合材料学报,2008,25(2):41-46.[9]邓火英,张佐光,顾轶卓.L形层板真空袋成型缺陷的实验研究[J].复合材料学报,2007,24(8):34-39.[10]刘谦,李嘉禄,李学明.三维编织复合材料的弯曲和压缩性能探讨研究[J].材料工程,2000,(8):3-6.[11]FRANKKKo,CHRITIPHERMP.Structuralandpropertiesofanintegrated3-Dfabricforstructuralcomposite,RecentAdvancesonCompositesintheUSandJapan[P].ASTMSTP864,1985,-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn428-439.[12]GB3365-82碳纤维增强塑料孔隙含量检测方法(显微镜法)[S].-5-