复合材料弹性模量的激光超声测量方法研究✴

樊程广,潘孟春,罗飞路,罗诗途,谭项林

(国防科学技术大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073)

碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能好、耐高温性能好、成型工艺简单以及抗腐蚀等优点,因此在航空航天领域得到了广泛的应用,尤其是在飞机的制造上[1].20世纪末,碳纤维增强复合材料在民用飞机上的比重达到20%,军用飞机达到 30%～40%,直升机最高可达80%,进入21世纪以来,其在飞机上的比重进一步增加[2,3].此外,碳纤维增强复合材料被广泛应用于与人们生活密切相关的交通运输、建筑、体育用品、医护器材等领域,发挥了巨大的作用[1].伴随着碳纤维增强复合材料的广泛应用,越来越多的学者从各个方面对其进行深入的研究来提高其性能,其中对材料弹性模量的测量是一个极为重要的方面,弹性模量是描述弹性阶段材料力学行为的性能指标,由材料的弹性模量可以确定构件的刚度,并能推测材料强度、硬度等力学性能[4].

常规的测量材料弹性模量的方法有静态拉伸法和动态法(也称动力学方法),静态拉伸法需要对被测试件进行拉伸、扭转加载,具有破坏性,且误差较大;动态法是测量材料弹性模量的标准方法,但是操作复杂、测量时间长、测量结果和操作者的熟练程度有关[5].利用激光超声来测量材料弹性模量是一种新的测量方法,超声声速与固体材料的弹性模量有关,通过测量超声声速,根据超声声速与弹性模量之间的固有关系可以反演出弹性模量.利用激光超声测量弹性模量,对材料无损伤,并且测量简单方便,测量精度高[6-9].

本文利用激光超声方法,根据超声声速与固体材料弹性模量之间的固有关系,通过对超声声速的测量,获取碳纤维/环氧树脂复合材料的弹性模量.

1 弹性模量的激光超声测量原理

1.1 激光超声激发机理

激光超声是利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,形成热应力,在物体内部产生超声波.根据入射到物体表面的激光功率密度的不同,激光脉冲在物体表面产生的这种热效应分为热弹效应和烧蚀效应,其原理如图1所示[10-12].

图1 热弹效应和烧蚀效应原理图Fig.1 The schematic diagram of theroelastic regime and ablative regime

热弹效应:当入射光的功率密度较低,材料表层由于吸收光能导致局部升温,引起热膨胀而产生表面切向应力,同时激发出横波、纵波和表面波.在热弹性区,激光产生的超声信号幅值与吸收激光的能量成正比.由于入射光的功率密度较低,因此表层的局部升温没有导致材料的任何变形,因而具有严格无损检测的特点.

烧蚀效应:当入射光的功率密度逐渐升高,材料表层的瞬态升温将逐步导致材料的熔化、汽化和形成等离子体,这时将有一小部分表面物质被喷射出来,从而给材料表面施加一个非常高的反作用力,导致声波的产生.由于入射光的功率密度较高,因此可以获得大幅度的超声信号,激发效率也高,但是会对材料表面产生损伤,因此只能用于某些特定的场合.

热弹效应由于对材料表面不存在损伤,并且可以产生各种波形,因此应用较多.

1.2 测量原理

根据固体力学理论可知,超声波在固体材料中传播时的纵波速度CL、横波速度CS与材料本身的密度 ρ、弹性模量E以及泊松比μ有关,数学关系式如式(1)和(2)所示.

由式(1)和(2)可得弹性模量和纵波速度、横波速度以及密度的关系,如式(3)所示.

由式(3)可知,若同时测得超声波在固体材料中的纵波速度、横波速度以及材料的质量和体积,便可得到固体材料的弹性模量.

利用脉冲反射法测量激光超声的传播速度:激光脉冲垂直照射试件表面,在试件中激发超声波,对超声波进行非接触式检测,根据回波脉冲之间的时间差以及试件厚度,便可求得超声波的传播速度.计算公式为

式中:h为试件厚度;tn为第n个反射回波脉冲到达时间;c为超声波速度.

因此,只要测得试件的厚度以及反射回波脉冲到达的时间,就可以测得激光超声的传播速度,进而在试件密度已知的情况下,求得试件的弹性模量[13,14].

1.3 测量系统

弹性模量的激光超声测量系统原理如图2所示.Nd∶YAG脉冲激光器发出的激光脉冲经由分光镜分为两路,一路经过光电探测器作为实验触发信号,一路通过汇聚透镜聚焦成线光源投射到试件表面.将分光镜和汇聚透镜固定在由步进电机控制的精确扫描平台上,实现激光线源沿试件表面的精确扫描.非接触探头固定,用于接收激光超声信号,经过解调器的解调作用,在数字示波器上显示,从而完成整个检测过程.

图3(a)为弹性模量的激光超声测量系统实物图.测量系统中用于激发超声波的激光器选用Q值可调的Nd∶YAG脉冲激光器,脉冲宽度为 4 ns～6 ns,重复频率10 Hz,单脉冲能量最高可达180 mJ,输出线偏振光;用于接收激光超声的是美国IOS公司生产的AIR-1550-TWM激光超声接收仪,接收仪实物图如图3(b)所示,接收仪主要由4个模块组成:连续激光器(用于发出探测激光)、分光器(分光比可调)、解调器和探头[15];选用的试件材料是碳纤维/环氧树脂复合材料,其中树脂含量32%,每层厚度0.15 mm,层与层之间采用垂直铺设的方法,试件尺寸为15 cm×10 cm×0.1 cm,材料选用干法预浸料成型,干法预浸料是指采用熔融态树脂直接与单向碳纤维结合制备的预浸料,其具有挥发分低、含胶量准确均匀、纤维排列整齐等特点,采用干法预浸料成型的复合材料,具有孔隙率低、纤维取向性好等优点,因此可有效提高复合材料的力学性能及产品的内部质量[16].

图2 激光超声测量系统原理图Fig.2 The schematic diagram of the laser-generated ultrasonic measurement system

图3 实物图Fig.3 The substance diagram

2 测量结果及分析

实验过程中,通过控制精确扫描平台移动激光线源,调节激发位置和接收位置的距离,从而实现激光线源扫描检测,检测结果如图4所示.从检测结果中提取超声信号,用于计算试件弹性模量,提取的纵波信号如图5所示.

图4 激光线源扫描检测结果Fig.4 The scanning result of laser linear source

图5 纵波信号Fig.5 The longitudinal wave

根据式(3)和式(4)可以得到碳纤维/环氧树脂复合材料试件的弹性模量,计算结果见表1.

表1 弹性模量计算结果Tab.1 The result of elastic modulus

根据误差分析理论,试件弹性模量的误差ΔE的计算公式为

式中:Ei为第i次测量结果;¯E为弹性模量平均测量值;n为测量次数.

经过计算,求得弹性模量平均值¯E为9.799 GPa,误差ΔE为0.605 9 GPa.厂家提供的碳纤维/环氧树脂复合材料弹性模量的参考值为10.091 GPa,采用动态法进行测量.经过比较,实验测得的实际值与厂家提供的理论参考值相吻合,偏差在3%以内.

3 结 论

本文使用激光超声方法来测量碳纤维/环氧树脂复合材料试件的弹性模量,详细介绍了测量原理和测量系统,相比较常规的静态拉伸法和动态法,激光超声测量方法具有对材料无损伤,测量快速方便、测量精度高的优点.通过控制测量系统中的精确扫描平台来移动激光线源,调节激发位置和接收位置的距离,从而实现激光线源扫描检测,获取丰富的实验数据.实验结果表明,利用激光超声测量系统得到的试件弹性模量,其误差较小,与动态法得到的理论参考值相吻合,偏差在3%以内.

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