先进碳纤维复合材料表面涂层厚度测量研究-开题报告.doc

1、XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 先进碳纤维复合材料表面涂层厚度测量研究专 业 名 称 测控技术与仪器 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx年 4月 9日一、 选题的依据及意义：目前，金属基、碳基、树脂基、和陶瓷基作为主要的先进复合材料已经被广泛的应用于社会的各个领域，其中碳纤维复合材料（RCC 复合材料）和陶瓷基复合材料通常作为高温耐热构件应用于航空航天的关键高温部件之中。由于许多航空航天构件的工作环境温度可高达 1650C以上，而碳纤维复合材料（RCC 复合材料）则是工作环境温度在 1650C 以上尤其是超过 2000C 的唯一候选材料。所以说，碳纤

2、维复合材料是新型材料技术的集中体现以及先进复合材料的典型代表，已经被广泛的应用于航空航天、军工以及其它民用工业领域。目前，三向编织技术已经成为碳纤维复合材料制作成型方式中的主要加工工艺技术，同时，为防止此类先进碳纤维复合材料在高温工作环境中被氧化烧蚀而造成失效事故，通常需在其基体表面镀上一层碳化硅材料（厚度约 50160m）。 涂镀层的测量，有许多方法可供采用，包括机械的，光学的，磁学的等方法。其中，非放射性测量方法主要有射线法，超声法，磁感应法，电磁涡流法，几种方法在使用中，适用对象不同，尽管存在重叠性但各有优劣，射线类方法现在有X荧光能量色散法，X射线衍射法和韧致辐射法几种方法，射线法直观

3、但体积庞大，不便携带，且存在防护放射源问题，使用不方便，超声法有共振法，脉冲反射法，其灵敏度较高，从测量精度来说，可满足生产中的需求，但其测量范围一般在0.5mm到5mm，对于um级镀层，基本上不可能测量，磁感应法可测磁性材料表面的非磁性镀层（塑料，油漆），测量范围为500um-20mm.上述超声法，射线法和磁感应法等测厚技术在国内外都有成熟的测量技术，被广泛使用，各有优势，但这些方法却不能满足薄涂镀层（几十um）的测量要求。而涡流法在测量频率在500KHZ-600KHZ时，测量范围可达1um-30um，频率在15KHZ时，测量范围可达5um-250um，所以涡流法在测小范围薄涂镀层厚度中，有

4、其他方法无可比拟的优势1。迄今为止，涡流测厚法已被广泛运用于社会的各个领域，也引来了许多学者的研究并取得了一定的科研成果，但该项测厚技术还是不够成熟，其测量的涂层对象主要为非磁性或磁性金属基体上的绝缘层厚度或是基体材料的电导率与涂层材料电导率差异很大的涂层厚度，而本课题所研究的对象是采用三向编织工艺制成的带 SiC 涂层的先进碳纤维复合材料的基体材料，这种材料虽然是属于非磁性金属基体上金属涂层范畴，但不同于一般金属材料，这种材料的基体和涂层都属于低电导率材质并且存在电导率不均匀分布的特性。目前国内针对非磁性或磁性低电导率金属基体上低电导率涂层厚度测量的研究并没有取得关键突破性的进展，因此，此类

5、材料涂层厚度涡流测量方法的研究也成为涂层测厚领域内一亟待解决的关键技术问题，此项研究技术将对弥补国内运用涡流法进行涂层测厚无损检测评价有着重要的意义， 二、国内外研究概况及发展趋势： 国外涡流测厚技术已被广泛应用，其中颇有代表性的美国CMI公司由最初通过对电导率的测量来测金属镀层的厚度，发展到后来通过测涂镀层阻抗值的方法来对基体上绝缘层厚度进行测量，直到现在用涡流法测涂镀层阻抗值的方法对金属镀层进行测量，测量范围为1-50um。在测量精度方面达到了一定的要求。 国内，测厚领域，涡流法也被广泛应用，但测量对象为非磁性和磁性金属基体上绝缘层或非磁性覆层，（如喷涂层，油漆层，陶瓷层）厚度，测量范围最

6、小为0-200um，对于非磁性和磁性金属基体上金属镀层厚度的测量尚未见成功报道。 对于碳纤维复合材料涡流法测厚的研究，国外许多学者也进行了探索，W Yin和 P J Withers等人应用多频涡流探头测量了碳纤维增强材料的电导率测量、材料的各向异性特征以及开展了缺陷成像的研究，取得了一定的研究成果。涡流测厚法作为一种先进的无损检测评价技术被广泛的应用于各种工业领域，尤其是航空航天、核电站以及民用工业。它属于非破坏性测厚法，目前在国内主要用于测量非磁性导电基体上绝缘涂层厚度和绝缘基体上的导电涂层厚度，而且如果基体材料与涂层材料的电导率差异较大，也可以适用于此法测厚。涡流测厚法应用最普遍的是测量铝

7、制品表面上的阳极氧化膜厚度、绝缘基体材料上的铜箔厚度、铜铝合金表面上的绝缘涂层厚度等。而且涡流法测厚仪属于便携式掌上测试仪因此便于随身携带，测厚方法易于掌握，测量效率高，成本较低，因而它是非磁性基体材料上涂层厚度高精度测量较为普遍的方法根据涂层材料的性质和基体材料的性质不同，可以将其分成以下四类进行涂层厚度测量。 (1) 金属基体材料上的绝缘涂镀层； (2) 金属基体材料上具有更高电导率的金属涂镀层； (3) 绝缘基体材料上的金属涂镀层； (4) 金属基体材料上电导率较低的金属涂镀层。 上述第一类由于其涂镀层为绝缘不导电材料，基体材料为金属，故基体材料和涂层材料的电导率差异比较大，对涡流检测中

8、提离效应的影响因素比较少，其涂层测厚原理就是利用提离效应来实现涂层高精度测量，所以比较易于实现。然而后面三类材料，尤其是最后一类，由于对涂层测厚的影响因素比较多，因此涂镀层的测量比较难以实现。而我们所研究的先进碳纤维复合材料涂层厚度的测量就属于最后这一种，而且此类涂层属于超薄涂层（50160m），这又对测量范围以及测量精度提出了更高的测量要求，所以这项涂层测厚技术在研究过程中实现难度较大2。自从哥伦比亚号航天飞机失事以后,美国专门成立了一个独立调查委员会。独立调查委员会指出，在恢复航天飞机飞行前，NASA 必须制定并实施全面的航天飞机检查计划，这次检查计划应充分利用目前先进的无损检测评价技术以

9、确保航天飞机上所有 RCC 组件结构的完整性。因为他们在独立调查的过程中发现，NASA 现有的检测技术存在严重的不足，不能有效的评定这种材料结构的完整性。RCC 组件是航天飞机隔热系统的关键部件的组成部分，例如，航天飞机的机翼前缘就覆盖着由这种材料制成的隔热防护板，为此 NASA 采用了许多先进的无损检测技术对 RCC 材料进行无损检测，其中对于先进碳纤维复合材料 SiC涂层厚度的测量采用的就是阵列涡流扫描成像技术6。 三、研究内容及实验方案1.研究内容 本课题基于涡流法对先进碳纤维复合材料涂层厚度的测量进行研究分析，通过探索最佳检测参数，有效的抑制电导率不均匀性的影响，从而，利用涡流提离效应

10、实施先进碳纤维复合材料涂层厚度涡流法测量。研究成果可为先进碳纤维复合材料涂层厚度涡流法测量提供可靠的理论依据和技术支持7。2.实验方案2.1实验设备Eddysigma-208电导率测量仪 、改进的 EEC 智能涡流检测仪2.2试样制备1#先进碳纤维复合材料基体圆形试块；2#、3#带未知SiC 涂层厚度的先进碳纤维复合材料圆形试块；4#先进碳纤维复合材料基体矩形试块；5#带未知SiC 涂层厚度的先进碳纤维复合材料矩形试块。2.3试验步骤（1）利用提离效应测量在4#和5#试块上的涡流信号，比较不同试块上测量所得涡流信号的提离点的距离点数差异，找到最大差异时的频率即最佳频率；（2）基于最佳检测参数的

11、条件下，利用厚度已知的超薄绝缘膜层（10m-200m）在4#基体上进行模拟涂层测厚灵敏度试验,记录不同膜层厚度下的提离点对应值；（3）基于最佳检测参数的条件下，分别比较带锡纸的4#试块与5#试块之间的提离效应差异；（4）测量5#不同点的膜厚提离点值；（5）分析数据，将5#不同点的提离点值与不同绝缘膜层厚度下4#试块的提离点值对应，相同的值即为涂镀层厚度。 图1.测量结果分析3.实验结果分析3.1实验数据处理及分析3.2实验总结及报告撰写四、研究目标、主要特色及工作进度4.1研究目标探讨利用涡流提离效应实施特种碳纤维复合材料涂层厚度涡流法测量方法的可行性。4.2主要特色本课题主要是基于目前涡流测

12、厚技术研究的基础上，探讨研究先进碳纤维复合材料涂层厚度涡流检测的可行性，为实现涡流法测量先进碳纤维复合材料涂层厚度提供可靠、实用的试验和理论依据。 4.3工作进度1.前期资料收集、调研 2月24日3月20日2.开题报告的完成 2月21日4月05日3.学习涂层厚度测量的原理、方法 4月01日4月15日4.相关试件的设计及制作 4月16日5月12日5.实验 5月13日5月28日6.数据分析及相关参数的修正 5月29日6月01日7.撰写毕业论文 、准备毕业答辩 6月02日6月20日五.参考文献：1.任吉林,林俊明.电磁无损检测M.北京:科学出版社,2008. 2.任吉林.涡流检测M.北京:国防工业出

13、版社,1985:5155. 3.任吉林,俞佳,唐继红.基于 ANSYS 的放置式涡流线圈的数值分析J.南昌航空大学,2007.4.黄松岭,徐琛等.油气管道变形涡流检测线圈探头的有限元仿真分析J.清华大学学报,2011,51（03）. 5.任吉林,林俊明.电磁无损检测M.北京:科学出版社,2008:377-379.6.张玉妥,李依依.“哥伦比亚”号航天飞机空难原因及其材料分析J,科技导报,2005,23(7):3437. 7.张会云.金属薄镀层涡流测厚技术研究D.上海材料研究所,2003 8.徐滨士,刘世参.表面工程技术手册下M.北京市.化学工业出版社,2009:620623. 9.屠海令,江君

14、照.金属材料理化测试全书M.北京市.化学工业出版社,2006:236237. 10.陆明炯.实用机械工程材料手册M.沈阳市.辽宁科学技术出版社,2004:11021103. 11.周杰,张德均.基于电涡流的铜膜测厚研究J.现代电子技术,2010,(07):179.12 W Yin, P J Withers, U. Sharma. Non-Contact Characterisation of Carbon Fibre-Reinforced Plastics (CFRP) Using Multi-frequency Eddy Current Se nsorsJ, Instrumentation

15、and Measurement Technology Conference，2007.13 V.K.Srivastava, A.Udoh. Eddy current nondestructive mapping of C/C-SiC compositesJ, Forschung Ingenieurwesen/Engineering Research, 2004,68(3): 169-17214 M.Hocine, F.Mouloud. 3-D Eddy current computation in carbon-fiber reinforced compositesJ, IEEE Transactions on Magnetics, 2009,45(3): 1