CFRP薄壁管紅外熱成像和CT檢測的研究分析

郭德偉 馬其華

摘要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有高強度、高剛度及耐高溫等優(yōu)異特性，其在航空、航天、車輛等領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件因復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在生產(chǎn)和使用過程中會產(chǎn)生如分層、脫粘和裂紋等各類缺陷，使得復(fù)合材料的性能降低，具有安全隱患。研究和發(fā)展能夠準(zhǔn)確檢測碳纖維復(fù)合材料的損傷十分有意義。本文分析了主流的無損檢測技術(shù)方法的檢測原理及特點，對比了不同的形狀及不同損傷所適用的檢測原理。本文利用紅外熱成像的方法建立實驗裝置，得到實驗結(jié)果，得出預(yù)制的CFRP薄壁管樣件表面損傷面積為1 342 mm2。并且利用 CT技術(shù)對樣件的損傷做檢測分析。并對紅外的檢測方法進行了對照。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料; 薄壁管; 損傷檢測; 損傷評價;CT; 紅外熱成像

【Abstract】 Carbon fiber reinforced polymer （CFRP） is widely used in aerospace， vehicle and other fields because of its high strength， high stiffness and high temperature resistance. Due to the complex structure of composite structure， it will produce various defects such as delamination， debonding and cracks in the process of production and use， which will reduce the performance of composite materials and have security risks. It is of great significance to study and develop the method to accurately detect the damage of carbon fiber composite. This paper analyzes the testing principle and characteristics of the mainstream nondestructive testing technology， and compares the testing principles of different shapes and different damages. In this research， the infrared thermal imaging method is used to set up the experimental device. The experimental results show that the surface damage area of the prefabricated thin-walled CFRP tube sample is 1 342 mm2. In addition， CT technology is used to detect and analyze the damage of the sample compared with the results of infrared detection method .

【Key words】 ?CFRP; thin-walled tube; damage detection; damage mechanism; CT; infrared thermography

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）憑借其超強韌性、能量吸收性能、輕柔性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐腐蝕與耐高溫等特性[1]，成為了當(dāng)下新能源汽車產(chǎn)業(yè)的原材料首選。復(fù)合材料在生產(chǎn)和服役的過程中，特別是服役的過程中，由于撞擊、疲勞、腐蝕等物理化學(xué)因素的影響，復(fù)合材料中很容易產(chǎn)生分層、裂紋、沖擊損傷等缺陷。會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的熱力和機械等特性的改變，影響結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。多數(shù)情況下的檢測需要在不損害材料的使用性能的前提下，對CFRP進行檢測與評價，這也對檢測方法提出了更高的要求。目前的學(xué)術(shù)界多是集中在對板材的研究，而對于CFRP纏繞管的檢測技術(shù)一直是研發(fā)中的技術(shù)難點。對此本文擬展開研究論述如下。

1 常用無損檢測方法對比

1.1 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的缺陷

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的缺陷包括分層、脫膠、纖維斷裂、夾雜、孔隙和裂紋等等[2]。由于復(fù)合材料屬于非均勻各向異性材料，因此其無損檢測比各向同性的金屬的檢測更為復(fù)雜[3]。適合于復(fù)合材料的檢測方法主要有： X射線照相檢測、計算機層析成像（CT）、超聲檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、紅外熱成像檢測技術(shù)、激光檢測技術(shù)等[4]。但不同技術(shù)質(zhì)檢有一定的適用范圍，并且由于各種檢測原理特點，其評價參數(shù)不統(tǒng)一，對于同樣的樣件評價機理各不相同，為實際應(yīng)用造成了較大的困擾。復(fù)合材料主要無損檢測方法對比見表1。

1.2 損傷樣件的制備

空心圓鋁管采用材質(zhì) 6061的鋁管 ，幾何尺寸為 34 mm×2 mm×300 mm（ 內(nèi)徑×壁厚×長度） 。碳纖維增強復(fù)合材料（ CFRP） 選用的是日本的東麗株式會社的 T700-12K 單向帶和浙江百合航太公司 BAC177 樹脂制備而成。纏繞后，薄壁管幾何尺寸為41 mm×3.5 mm×300 mm（ 內(nèi)徑×壁厚×長度），CFRP纏繞薄壁鋁管樣件如圖1所示。為了預(yù)制損傷，實驗采用三點彎曲試驗，對CFRP纏繞的鋁管進行彎曲加載，加載輥和支輥的直徑均為15 mm，試件長度為 300 mm，試驗中的加載輥加載速率為10 mm/min，加載位移為 40 mm。本文只討論對于CFRP纏繞薄壁鋁管的損傷檢測和檢測方法的對比，不對制備工藝以及制備樣件的力學(xué)性能做深入探索。