碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)方法研究-開(kāi)題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)開(kāi)題報(bào)告題目: 碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)方法研究專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一、選題的依據(jù)及意義： 眾所周知，隨著科技的發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料因其優(yōu)越的性能在飛機(jī)制造、汽車(chē)制造、化工、造船與電氣設(shè)備等領(lǐng)域受到高度重視，尤其是在航空、船艦、核能設(shè)備等領(lǐng)域作為一種新型的非金屬材料，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它具有諸如低密度、耐高溫、高韌性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性、高設(shè)計(jì)容限以及對(duì)熱沖擊不敏感等優(yōu)良特性。然而，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中不可避免地會(huì)存在缺陷和遭受損傷。并且，碳纖維復(fù)合材料在損壞之前幾乎沒(méi)有先兆，其破壞具有突然性，這往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此，碳/碳復(fù)合材料零件內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)對(duì)于一些重要行業(yè)的特殊應(yīng)用具有非常重要的意義?，F(xiàn)有的比較成熟的檢測(cè)方法有紅外熱成像檢測(cè)、X射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、激光檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、微波檢測(cè)等。這些技術(shù)都達(dá)到了一定的效果。但是隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能安全系數(shù)的要求越來(lái)越高，所以對(duì)檢測(cè)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。渦流檢測(cè)較傳統(tǒng)檢測(cè)方法在某些方面有一定的優(yōu)勢(shì)，不僅可靠性高，而且在探測(cè)時(shí)不需清除零件表面的油脂、積碳和保護(hù)層，很多時(shí)候可在不分解飛機(jī)的前提下，在外場(chǎng)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行原位探傷。所以，渦流檢測(cè)在航空維修中應(yīng)用很廣泛。渦流檢測(cè)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損檢測(cè)方法，即交變磁場(chǎng)在導(dǎo)電材料中感應(yīng)出渦流，導(dǎo)電材料的表面層和近表面層的缺陷影響渦流的大小和分布，從而影響探頭測(cè)得的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的變化可得出缺陷的信息。渦流檢測(cè)在金屬材料的檢測(cè)上已趨成熟，然而碳纖維復(fù)合材料相比于金屬材料，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，電導(dǎo)率很低，且呈電各向異性，所以渦流檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料上的應(yīng)用要比金屬材料更加復(fù)雜。碳纖維復(fù)合材料的渦流檢測(cè)研究是近年來(lái)才開(kāi)始的，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)還都很少，還有很多探索性的具有重大意義的工作要做。本論文正是基于這一現(xiàn)實(shí)情況，研究渦流檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料性能檢測(cè)和探傷方面的應(yīng)用。 二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)：碳纖維是主要由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類(lèi)不同而異，一般在90%以上。在纖維增強(qiáng)材料中，碳纖維是發(fā)展最迅速，應(yīng)用范圍最廣，可適用于不同領(lǐng)域要求的纖維材料。碳纖維是一種新型非金屬材料。它和它的復(fù)合材料具有密度低、耐熱、耐化學(xué)腐蝕、耐摩擦、抗輻射、減震、降噪等一系列優(yōu)異性能，而且作為纖維它還有柔軟性和可編、可紡織性，特別突出的是它的高比強(qiáng)度和高比模量?jī)纱筇匦浴Ｌ祭w維增強(qiáng)復(fù)合材料是八十年代后期發(fā)展起來(lái)并倍受重視的一類(lèi)結(jié)構(gòu)材料。隨著制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，其發(fā)展十分迅速，被廣泛應(yīng)用在航空航天、艦船、核工業(yè)、兵器工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、民用建筑、電力電子等領(lǐng)域。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在制備和使用過(guò)程中由于各種原因，會(huì)造成材料制品存在不同類(lèi)型的缺陷。與金屬材料不同，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在斷裂或損壞之前幾乎沒(méi)有先兆，其破壞具有突然性，并往往對(duì)結(jié)構(gòu)造成致命威脅，直至造成重大安全事故，因而對(duì)碳纖維復(fù)合材料的在役無(wú)損檢測(cè)就顯得格外重要。 航空工業(yè)最早大量采用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能，在航空領(lǐng)域特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。在航空工業(yè)中，飛行器的質(zhì)量減輕，就意味著油耗的降低，速度的加快。碳纖維強(qiáng)度高、密度低、變形量低的特點(diǎn)決定了它是理想的航空材料。目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占7O%-8O%，在軍用飛機(jī)上占30%-40%，在大型客機(jī)上占15%-50%。碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用已從非承力部件擴(kuò)大到主承力部件，如機(jī)翼、垂尾、前機(jī)身、鴨翼、腹鰭、方向舵及升降副翼。另外，碳纖維復(fù)合材料還大量用作高超音速飛機(jī)的剎車(chē)片，飛機(jī)上的發(fā)熱元件和機(jī)械緊固件，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，內(nèi)燃機(jī)活塞等。近幾年，碳纖維復(fù)合材料也開(kāi)始應(yīng)用于航天領(lǐng)域。目前，主要應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭、精密支撐結(jié)構(gòu)件、光學(xué)鏡體及空間相機(jī)等方面。90年代后期，碳纖維復(fù)合材料逐漸在汽車(chē)、土木建筑及文體用品等民用領(lǐng)域大顯身手。碳纖維復(fù)合材料擴(kuò)大應(yīng)用的最大希望在于在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用。在汽車(chē)車(chē)身、零部件中使用碳纖維復(fù)合材料，不但可以降低汽車(chē)的重量，而且可以更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，降低油耗。碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片是其中非常重要的應(yīng)用之一。碳纖維復(fù)合材料剎車(chē)片主要用于高速列車(chē)。隨著我國(guó)高速列車(chē)的飛速發(fā)展，這一應(yīng)用具有美好的前景。水泥在土木建材領(lǐng)域中用量最大，但水泥也有諸如脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。而現(xiàn)在用混凝土或水泥為基體制成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，克服了水泥強(qiáng)度低，在混凝土中易開(kāi)裂，易受到氯鹽、硫酸鹽等侵蝕的缺點(diǎn)，在冬季及寒冷地區(qū)有很大的應(yīng)用空間。碳纖維在體育用品方面的用量，占全世界碳纖維總消耗量的40%左右。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其高的比強(qiáng)度和高的阻尼特性主要被用在高爾夫球棒、釣魚(yú)竿、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、越野賽汽車(chē)和滑雪板等的制造。近年來(lái)，隨著碳纖維產(chǎn)量的增加和價(jià)格的下降，碳纖維被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施、能源運(yùn)輸工具、環(huán)保和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。為了解決全球氣候變暖、溫室氣體排放等環(huán)境問(wèn)題，碳纖維復(fù)合材料在核電、風(fēng)電、電力傳輸、天然氣壓縮存儲(chǔ)、電動(dòng)汽車(chē)等新能源領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣泛的關(guān)注和研究。 碳纖維復(fù)合材料在生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中不可避免地會(huì)存在缺陷和遭受損傷。隨著碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)越性能被熟知，碳纖維復(fù)合材料在各行各業(yè)的應(yīng)用與日俱增，隨之而來(lái)的安全隱患也不斷增多，對(duì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)更顯重要。針對(duì)不同的材料及不同的缺陷和損傷形式，可以采用不同的無(wú)損檢測(cè)手段。目前，復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的常用方法有超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、X射線(xiàn)檢測(cè)、激光檢測(cè)、計(jì)算機(jī)層析照相(CT)、聲發(fā)射檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、聲振檢測(cè)、微波檢測(cè)等。而碳纖維復(fù)合材料比較成熟的檢測(cè)方法是超聲檢測(cè)、X射線(xiàn)檢測(cè)以及紅外熱成像檢測(cè)。這幾種檢測(cè)方法都取得了一定的效果1。主要研究方法：1，紅外熱波檢測(cè)方法 紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的基本原理是對(duì)檢測(cè)材料進(jìn)行主動(dòng)加熱，利用被檢測(cè)材料內(nèi)部熱學(xué)性質(zhì)差異以及熱傳導(dǎo)的不連續(xù)性使物體表面溫度產(chǎn)生差異，進(jìn)而在物體表面的局部區(qū)域形成溫度梯度。溫度不同時(shí)紅外輻射能力也隨著發(fā)生變化，借助紅外熱像儀對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)紅外熱像儀探測(cè)的輻射分布來(lái)推斷被測(cè)試件的內(nèi)部缺陷。李艷紅等用紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維層壓板的圓形缺陷進(jìn)行了檢測(cè)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)能以直觀(guān)易懂的圖像形式展現(xiàn)出被檢材料內(nèi)部的缺陷情況。原始圖像和一階微分圖像能較清楚地顯現(xiàn)出輪廓及溫度變化過(guò)程，還可以做缺陷尺寸標(biāo)定及深度測(cè)量。但由于熱圖對(duì)材料非均勻性的敏感，也可能會(huì)對(duì)某些試件缺陷造成誤判。蔣淑芳等利用紅外熱波檢測(cè)方法對(duì)碳纖維層壓板沖擊損傷進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，紅外波檢測(cè)方法可以清晰地表征碳纖維層壓板的纖維走向，還可以確定沖擊損傷在試件內(nèi)部隨深度的變化過(guò)程。李曉霞等對(duì)低速?zèng)_壓后的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了紅外熱波檢測(cè)分析，研究了損傷面積和沖擊能量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，紅外熱波不僅對(duì)沖擊損傷的大小具有檢測(cè)能力，還可以對(duì)損傷材料內(nèi)部沖擊點(diǎn)處的擴(kuò)展損傷模式進(jìn)行有效的檢測(cè)?；粞愕壤妹}沖紅外熱成像技術(shù)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料試樣內(nèi)部的模擬脫粘缺陷深度進(jìn)行測(cè)量研究。利用該方法測(cè)量脫粘缺陷深度的精度由單點(diǎn)法標(biāo)定測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了在被檢測(cè)材料熱屬性參數(shù)未知的情況下能較準(zhǔn)確地測(cè)量脫粘缺陷深度。金國(guó)鋒等為了實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部界面貼合性缺陷的快速檢測(cè)和識(shí)別，采用超聲紅外熱波方法進(jìn)行檢測(cè)研究。結(jié)果表明，超聲熱波方法適于復(fù)合材料裂紋、分層、沖擊損傷等界面貼合型缺陷的快速檢測(cè)和識(shí)別，而對(duì)脫粘等非界面貼合型缺陷檢測(cè)無(wú)效果。綜上，紅外熱波檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)碳纖維復(fù)合材的裂紋、分層等內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，但是根據(jù)紅外熱波檢測(cè)的原理可知，檢測(cè)過(guò)程要經(jīng)過(guò)加熱、熱傳導(dǎo)、形成溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生輻射等多個(gè)步驟，因此，在檢測(cè)過(guò)程中需要一定的時(shí)間，不能進(jìn)行快速的掃描檢測(cè)。 2，超聲檢測(cè)方法 超聲檢測(cè)技術(shù)是工業(yè)上無(wú)損檢測(cè)的方法之一。超聲波進(jìn)入物體遇到缺陷時(shí)，一部分聲波會(huì)產(chǎn)生反射，接收器可以對(duì)反射波進(jìn)行分析，精確地測(cè)出缺陷來(lái)，并且能顯示出內(nèi)部缺陷的位置和大小，并可測(cè)定材料的厚度等。超聲檢測(cè)技術(shù)不僅可以檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的裂紋、夾雜等缺陷，還可以對(duì)其內(nèi)部缺陷進(jìn)行定位，另外還能對(duì)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的空隙進(jìn)行檢測(cè)。但是，超聲檢測(cè)是一種接觸式的檢測(cè)，為了使超聲信號(hào)少衰減地進(jìn)入到被檢測(cè)材料內(nèi)部，探頭處需要有藕合劑，這樣就會(huì)對(duì)被測(cè)試件的表面造成污染，無(wú)法進(jìn)行快速的掃描檢測(cè)。 3，滲透和層析檢測(cè)方法 采用滲透和層析檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料缺陷，是利用各組分物理性質(zhì)的不同，將多組分混合物進(jìn)行分離及測(cè)定的方法。滲透檢測(cè)方法可以檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料由于鉆孔產(chǎn)生的分層缺陷。但是，滲透檢測(cè)方法是一種表面無(wú)損檢測(cè)方法，只適用于檢測(cè)表面開(kāi)口的缺陷，無(wú)法對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。 4，聲發(fā)射檢測(cè)方法 聲發(fā)射檢測(cè)是通過(guò)接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)，評(píng)定材料性能和結(jié)構(gòu)完整性的一種無(wú)損檢測(cè)方法。材料中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形或相變等引起的應(yīng)變快速釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力波現(xiàn)象稱(chēng)為聲發(fā)射。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可以有效地檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷及損傷類(lèi)型。但是，對(duì)聲發(fā)射法來(lái)說(shuō)，缺陷所處的位置和方向并不影響聲發(fā)射的檢測(cè)效果，即用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)無(wú)法檢測(cè)出缺陷的位置。 5,微波無(wú)損檢測(cè)方法 微波檢測(cè)技術(shù)是以微波物理學(xué)、電子學(xué)和微波測(cè)量為基礎(chǔ)的微波技術(shù)應(yīng)用。以微波作為信息載體，對(duì)各種材料構(gòu)件和自然現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)和診斷，對(duì)物體性能和工藝參數(shù)等非電量進(jìn)行非接觸、非污染的快速測(cè)量和監(jiān)控，是一門(mén)新興的綜合性技術(shù)科學(xué)。微波檢測(cè)的原理是研究微波與物質(zhì)之間的相互作用，通過(guò)微波的物理特性(如反射、散射、衍射、透射及多普勒效應(yīng)等)及被檢測(cè)材料的電磁特性(如介電常數(shù)和損耗的相對(duì)變化)來(lái)測(cè)量微波基本參數(shù)的變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料的性能、缺陷等非電量的檢測(cè)。 但這些檢測(cè)方法也都有各自的缺點(diǎn):超聲檢測(cè)檢測(cè)時(shí)要求被檢測(cè)表面有一定的光滑度，對(duì)小、薄和復(fù)雜零件難以檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中還需要使用耦合劑,X射線(xiàn)檢測(cè)成本高，檢測(cè)效率低，檢測(cè)分層缺陷困難，不易發(fā)現(xiàn)與射線(xiàn)垂直方向上的裂紋，經(jīng)常需要和超聲反射法互補(bǔ)使用;紅外熱成像檢測(cè)要求被測(cè)件傳熱性能好，表面發(fā)射率高，并且這種方法檢測(cè)深度比較小，不適合內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，對(duì)缺陷的定性、定位與定量比較困難。渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的無(wú)損檢測(cè)方法。它的基本原理可以描述為：當(dāng)載有交變電流的試驗(yàn)線(xiàn)圈靠近導(dǎo)體試件時(shí)，線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中感生出渦流。渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到試件性能及有無(wú)缺陷的影響，而渦流的反作用磁場(chǎng)又使線(xiàn)圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過(guò)測(cè)定實(shí)驗(yàn)線(xiàn)圈阻抗的變化，就可以推斷出被檢試件性能的變化及有無(wú)缺陷的結(jié)論。 渦流檢測(cè)是以研究渦流與試件的相互作用為基礎(chǔ)的一種常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法。 渦流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)如下：1）檢測(cè)線(xiàn)圈不需要接觸工件，也不需要耦合劑，對(duì)管、棒、線(xiàn)材的檢測(cè)易于實(shí)現(xiàn)高速、高效率的自動(dòng)化檢測(cè)；也可在高溫下進(jìn)行檢測(cè)，或?qū)ぜM窄區(qū)域及深孔壁等探頭可達(dá)到的深遠(yuǎn)處進(jìn)行檢測(cè)；2）對(duì)于工件表面及近表面的缺陷有很高的檢測(cè)靈敏度；3）采用不同的信號(hào)處理電路，抑制干擾，提取不同的渦流影響因素，渦流檢測(cè)可用于電導(dǎo)率測(cè)量、膜層厚度測(cè)量、及金屬薄板厚度測(cè)量；4）由于檢測(cè)信號(hào)是電信號(hào)，所以可對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理，然后存儲(chǔ)、再現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理和比較。 渦流檢測(cè)的局限性如下：1）只適用于檢測(cè)導(dǎo)電金屬材料或能感生出渦流的非金屬材料；2）由于渦流滲透效應(yīng)的影響，只適用于檢查金屬表面及近表面缺陷，不能檢查金屬材料深層的內(nèi)部缺陷；3）渦流效應(yīng)的影響因素多，目前對(duì)缺陷的定性和定量還比較困難；4）針對(duì)不同工件采用不同檢測(cè)線(xiàn)圈檢查時(shí)各有不足。如檢測(cè)管、棒材，采用穿過(guò)式線(xiàn)圈難以對(duì)圓周上的缺陷定位，而使用旋轉(zhuǎn)式探頭線(xiàn)圈則監(jiān)測(cè)區(qū)域狹小、速度較慢；5）鐵磁性材料及制件常需要完全直流磁化到飽和，以免在渦流檢測(cè)期間磁化狀態(tài)變化引起的檢測(cè)結(jié)果不直觀(guān)，難以判斷缺陷的性質(zhì)、大小及形狀等現(xiàn)象。碳纖維復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電能力，理論上可以用渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而且渦流檢測(cè)有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，所以碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)的研究具有重要意義。雖然碳纖維復(fù)合材料具有導(dǎo)電能力，但是其電導(dǎo)率較金屬材料低得多，并且電導(dǎo)率在各個(gè)方向上是不同的，這就大大增加了渦流檢測(cè)的難度。如何設(shè)計(jì)檢測(cè)探頭以及設(shè)置良好的檢測(cè)條件以提高檢測(cè)的靈敏度，提高信噪比，成為了碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)研究的重點(diǎn)之一。實(shí)驗(yàn)探究的方法是最早也是最常用的碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)的研究方法1,2。2003年，斯特拉斯克萊德大學(xué)的C.Carr等人利用基于高溫超導(dǎo)量子干涉儀（HTS SQUID)磁力計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，掃描碳纖維復(fù)合材料樣品表面，得到了樣品表面的磁場(chǎng)，檢測(cè)出了隱藏的損傷。從其磁場(chǎng)相位圖可以看出磁場(chǎng)相位取決于樣品的結(jié)構(gòu)完整性，相位導(dǎo)數(shù)最小值隨著撞擊能量增加而變大。2007年，那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)的C. Bonavolonta等人利用相似的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)了碳纖維復(fù)合材料的缺陷。通過(guò)分析磁通量變化的圖像，確定了材料內(nèi)損傷的位置，并且得到了損傷的大小及形狀。應(yīng)用HTS SQUID磁力計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)可以比較好地完成對(duì)復(fù)合材料損傷的檢測(cè)。未來(lái)的主要研究方向是發(fā)展一個(gè)基于包含低溫冷卻系統(tǒng)的二階梯度儀的數(shù)字式HTS SQUID無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。2005年，羅馬尼亞國(guó)家技術(shù)物理研究所的R. Grimberg等人利用渦流微集中傳感器對(duì)碳纖維復(fù)合材料樣品表面進(jìn)行掃描，得到了材料中碳纖維的分布圖像。通過(guò)渦流顯微鏡處理圖像，并利用全息信號(hào)處理方法處理檢測(cè)信號(hào)的相位信息，得到聚焦的比較清晰的圖像，從而可以很清楚的看出損傷區(qū)域。2009年，曼徹斯特大學(xué)的W .Yin等人設(shè)計(jì)了三種不同的線(xiàn)圈傳感器分別用于測(cè)量碳纖維復(fù)合材料的體電導(dǎo)率，描繪纖維的方向特性和對(duì)單向碳纖維、正交雙向碳纖維及受撞擊損壞的復(fù)合材料樣品進(jìn)行故障檢測(cè)并成像。同時(shí)還對(duì)垂直距離(傳感器與樣品距離)變化帶來(lái)的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功說(shuō)明即使利用簡(jiǎn)單的檢測(cè)線(xiàn)圈也能完成對(duì)碳纖維復(fù)合材料的渦流檢測(cè)，可充分利用渦流檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。2013年,日本大學(xué)的K. Koyama等人研宄發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變激勵(lì)線(xiàn)圈與碳纖維復(fù)合材料纖維方向之間的放置角度可以減少噪聲信號(hào),提高信噪比?？紤]到碳纖維復(fù)合材料的電各向異性及纖維缺陷的特點(diǎn),他們?cè)O(shè)計(jì)了一種矩形的交叉渦流檢測(cè)探頭(CP探頭),可以清楚的檢測(cè)到碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷。但是對(duì)雙向的碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè),噪聲信號(hào)會(huì)比較大,所以他們計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)新的探頭,并加入信號(hào)處理器來(lái)提高信噪比。2010年,南昌航空航天大學(xué)的凡漢云等人研究了碳纖維復(fù)合材料的瞬變電磁檢測(cè)?；谒沧冸姶彭憫?yīng)的理論,采用快速傅里葉變換方法,推導(dǎo)出層狀介質(zhì)下的瞬變電磁響應(yīng)公式。對(duì)復(fù)合材料的電磁響應(yīng)進(jìn)行了正演仿真計(jì)算,結(jié)果表明:瞬變電磁法對(duì)碳纖維復(fù)合材料中含有的不同電阻率的媒質(zhì)有一定的分辨能力。最后,采用雙道淺部瞬變電磁檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)預(yù)埋缺陷的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了檢測(cè)驗(yàn)證,在檢測(cè)試驗(yàn)中選擇絕對(duì)式和差分式兩種探頭和四種不同激勵(lì)頻率進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。研宄表明:差分式探頭對(duì)碳纖維復(fù)合材料有較好的檢測(cè)能力1。 國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維復(fù)合材料渦流檢測(cè)的研究還很少，仍處于剛開(kāi)始發(fā)展的起步階段，還有很多的研究工作有待完成和嘗試。三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：1.研究?jī)?nèi)容 樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的常見(jiàn)缺陷包括分層、脫粘、孔隙、纖維彎曲、夾雜、富脂、貧脂、劃痕、涂層損傷、鋪層損傷、穿透性損傷、熱損傷、鼓包等。渦流檢測(cè)目前仍處于當(dāng)量比較檢測(cè)階段,定性定量檢測(cè)還需進(jìn)一步研究。本文旨在設(shè)置良好的檢測(cè)條件以提高檢測(cè)的靈敏度，提高信噪比，達(dá)到對(duì)碳纖維復(fù)合材料缺陷的定量以及嘗試對(duì)缺陷進(jìn)行定性分析。 碳纖維本身具有一定的導(dǎo)電性。將碳纖維固化到絕緣的樹(shù)脂基體中,復(fù)合成的碳纖維復(fù)合材料在沿著碳纖維的方向有一定的電導(dǎo)率,稱(chēng)之為縱向電導(dǎo)率。由于在碳纖維被固化到基體中時(shí)纖維之間會(huì)有互相接觸,所以在垂直于纖維的方向存在較小的電導(dǎo)率,稱(chēng)之為橫向電導(dǎo)率。一般認(rèn)為,縱向電導(dǎo)率會(huì)隨著材料中碳纖維所占體積分?jǐn)?shù)的增加而線(xiàn)性變大,而橫向電導(dǎo)率的變化則較復(fù)雜。當(dāng)碳纖維體積分?jǐn)?shù)小于30%-40%時(shí),橫向電導(dǎo)率幾乎為0。典型的碳纖維復(fù)合材料的碳纖維體積分?jǐn)?shù)在60%-70%之間,一般認(rèn)為縱向電導(dǎo)率在5000-50000S/m之間,而橫向電導(dǎo)率在10-100S/m之間。同時(shí)在層壓結(jié)構(gòu)中,每層碳纖維材料之間也會(huì)存在電導(dǎo)率。層間電導(dǎo)率的大小與鋪層間的壓合程度有關(guān),一般認(rèn)為是橫向電導(dǎo)率的一半左右1。設(shè)置良好的檢測(cè)條件：通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)頻率、減少提離效應(yīng)、改變激勵(lì)線(xiàn)圈與碳纖維復(fù)合材料纖維的放置角度使縱向纖維接觸面最廣從而提高檢測(cè)靈敏度；將檢測(cè)設(shè)備調(diào)制成最佳檢測(cè)條件，檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料試塊與標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行當(dāng)量比較得出缺陷當(dāng)量；熟悉碳纖維復(fù)合材料的典型及最重要最致命的缺陷（如分層、脫粘、孔隙、夾雜、纖維彎曲等），對(duì)預(yù)埋或已知缺陷的碳纖維復(fù)合材料的試塊進(jìn)行檢測(cè)，觀(guān)察并記錄渦流檢測(cè)儀顯示設(shè)備上的圖形特點(diǎn)，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析，嘗試對(duì)碳纖維復(fù)合材料的典型缺陷進(jìn)行定性的分析識(shí)別。2. 實(shí)驗(yàn)方案2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 EEC-35+ 多頻渦流檢測(cè)儀2.2試驗(yàn)方法 1、電導(dǎo)率的測(cè)量 由于碳纖維復(fù)合材料的各向異性的特性，目前運(yùn)用較多的為四探針?lè)?，但是測(cè)量難度大，準(zhǔn)確度不高。在測(cè)量時(shí)，在測(cè)試方向上，如果纖維沒(méi)有露出來(lái)，需要打磨，直至露出來(lái)，且和內(nèi)部相同。然后用導(dǎo)電膠把整個(gè)截面粘上，再在導(dǎo)電膠外面連上導(dǎo)線(xiàn)測(cè)電阻，然后計(jì)算體積，得出體積電阻，體積電阻率，從而得出電導(dǎo)率。（計(jì)算結(jié)果可以由被測(cè)碳纖維復(fù)合材料的碳纖維體積分?jǐn)?shù)查閱出大概電導(dǎo)率進(jìn)行對(duì)比）也可以嘗試直接運(yùn)用FQR7501、FQR7502型渦流電導(dǎo)儀和Hocking Auto Sigma 3000電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x對(duì)碳纖維復(fù)合材料試件的平均電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量； 2、渦流傳感器（又稱(chēng)渦流檢測(cè)線(xiàn)圈或探頭）的選擇 （a，根據(jù)檢測(cè)線(xiàn)圈輸出信號(hào)的不同，渦流傳感器可分為參量式和變壓器式兩類(lèi)；b，根據(jù)檢測(cè)線(xiàn)圈和工件的相對(duì)位置不同，渦流傳感器可分為外穿過(guò)式線(xiàn)圈、內(nèi)穿過(guò)式和放置式線(xiàn)圈三類(lèi)；c，根據(jù)線(xiàn)圈的繞制方式不同，渦流傳感器可分為絕對(duì)式、標(biāo)準(zhǔn)比較式和自比較式三類(lèi)）通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料試件的幾種不同的探頭的檢測(cè)，選擇精度高的探頭類(lèi)型； 3、檢測(cè)頻率的選擇 在渦流檢測(cè)準(zhǔn)備工作中，最重要的一點(diǎn)就是檢測(cè)頻率的選擇。根據(jù)渦流檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式： 1）管材：f=6.45/t2（其中，為材料的電阻率，t為管材厚度） 2）板材：對(duì)于板材也可用上述公式進(jìn)行頻率的選擇，其中t為板材厚度；其實(shí)，對(duì)于板材的渦流檢測(cè)，完全可以通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)滲透深度，在計(jì)算有效滲透深度來(lái)確定頻率。另外，在計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)要考慮提離和填充。最后，選擇好的檢測(cè)頻率還是要在調(diào)試過(guò)程中調(diào)整，以便達(dá)到最佳檢測(cè)靈敏。 4、檢測(cè)影響因素的測(cè)量 當(dāng)載有交表電流的線(xiàn)圈接近導(dǎo)電試件時(shí)，會(huì)在試件表面產(chǎn)生渦流。渦流的大小和流動(dòng)形式受試件性能及有無(wú)缺陷的影響。其中，試件導(dǎo)電率的變化、線(xiàn)圈離試件的距離的變化以及試件本身厚度的變化等都會(huì)影響渦流的改變，從而影響檢測(cè)線(xiàn)圈的電性能。通常，這些效應(yīng)分別被稱(chēng)為電導(dǎo)率效應(yīng)、提離效應(yīng)、厚度效應(yīng)。因此，通過(guò)對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈電性能的測(cè)量，對(duì)碳纖維復(fù)合材料試件的電導(dǎo)率效應(yīng)、提離效應(yīng)和厚度效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。 具體步驟：1)調(diào)節(jié)好信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率、正弦交流電的幅值；2）電導(dǎo)率效應(yīng)的測(cè)量：將試塊放在實(shí)驗(yàn)線(xiàn)圈下方，讀取微安表的讀數(shù)并記錄；依次改變?cè)囼?yàn)頻率和位置后，再次讀取微安表的讀數(shù)并記錄；3）提離效應(yīng)的測(cè)量：將試塊放在實(shí)驗(yàn)線(xiàn)圈下方，改變?cè)噳K與線(xiàn)圈之間的距離，讀取3-5個(gè)不同距離時(shí)微安表上的讀數(shù)；改變?cè)囼?yàn)頻率，讀取微安表上的讀數(shù)；4)厚度效應(yīng)的測(cè)量：分別將厚度不同的試塊放置在實(shí)驗(yàn)線(xiàn)圈下方的同一位置，讀取微安表的讀數(shù)并記錄；改變?cè)囼?yàn)頻率或位置后，再次讀取微安表的讀數(shù)并記錄。 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1）試驗(yàn)頻率不宜過(guò)低，以避免渦流滲透深度過(guò)深引起的誤差；2）操作時(shí)要將探頭放置在試塊的中心位置，注意避免邊緣效應(yīng)引起的誤差。 5、檢測(cè)深度的測(cè)量 當(dāng)頻率較高時(shí)，渦流幾乎只在導(dǎo)體表面附近的薄層內(nèi)流動(dòng)。這種渦流主要集中在導(dǎo)體表面附近的現(xiàn)象，稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。渦流透入導(dǎo)體的距離稱(chēng)為透入深度。定義渦流密度衰減到其表面值1 /e時(shí)的透入深度為趨膚深度。趨膚深度表示渦流在導(dǎo)體內(nèi)的趨膚程度。電各向同性的良導(dǎo)體材料的趨膚深度為：1 （1） （1）式中：為趨膚深度，單位：米（m)；f為激勵(lì)信號(hào)的頻率，單位：赫茲(Hz)；為被檢工件的磁導(dǎo)率，單位亨利/米(H/m)；為被檢工件電導(dǎo)率，單位：西門(mén)子/米(S/m)。 6、碳纖維復(fù)合材料試塊的渦流探傷：利用渦流探傷儀進(jìn)行渦流探傷實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)各類(lèi)人工和自然缺陷：1）對(duì)被檢試塊、標(biāo)準(zhǔn)試塊分別進(jìn)行檢測(cè)；2）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，接好已選擇的合適的探頭，開(kāi)啟電源，選擇阻抗平面顯示；3）根據(jù)屏幕操作提示，選擇參數(shù)、檢測(cè)等項(xiàng)目，進(jìn)行參數(shù)基本設(shè)定及檢測(cè)中參數(shù)設(shè)定；4）對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄，要求記錄檢測(cè)參數(shù)、缺陷示意圖、用阻抗式儀器的阻抗圖；5）分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)比進(jìn)行缺陷的定量、定性分析。 四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度:1.研究目標(biāo)：對(duì)碳纖維復(fù)合材料試塊進(jìn)行渦流無(wú)損探傷，通過(guò)理論學(xué)習(xí)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)達(dá)到對(duì)其缺陷的定量分析，并嘗試對(duì)其主要缺陷進(jìn)行定性分析。2.主要特色：運(yùn)用渦流檢測(cè)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損探傷：1）檢測(cè)線(xiàn)圈不需要接觸工件，不需耦合劑；2）對(duì)工件表面及近表面缺陷有很高的檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)可靠性高；3）探測(cè)時(shí)不需清除零件表面的油脂、積碳和保護(hù)層，很多時(shí)候可在不分解飛機(jī)的前提下，在外場(chǎng)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行原位探傷；4）由于檢測(cè)信號(hào)是電信號(hào)，可對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理，方便快捷，易于實(shí)現(xiàn)缺陷的實(shí)際還原展現(xiàn)。3.工作進(jìn)度：2014.2.242014.3.20 前期資料收集、調(diào)研，熟悉其結(jié)構(gòu)特性和電磁特性。2014.2.212014.4.05 檢測(cè)方法及檢測(cè)工藝的確定撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，開(kāi)題。 2014.4.062014.5.01 檢測(cè)信號(hào)的分析及處理，缺陷的定性及定量方法研究。2