碳纤维复合材料涡流检测方法研究.doc

1、XX大学毕业设计（论文）题 目: 碳纤维复合材料涡流检测方法研究 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器 班级学号： 学生姓名： 指导教师： 二Oxx 年 六 月碳纤维复合材料涡流检测方法研究 摘要：碳纤维复合材料由于其诸多的优越性能尤其是高比模量、高比强度在各个的领域受到越来越多的关注，特别是航空航天领域。然而，在生产制造和投入使用过程中不可避免地会产生缺陷。现阶段，碳纤维复合材料应用较多的无损检测方法为射线检测、超声检测、红外热成像检测等，取得了一定的效果但又各自存在着不足。传统的涡流检测较之有一定的优势，不仅可靠性高，且在探测时不需清除零件表面，可在不分解飞机的前提下，在

2、外场对飞机进行原位探伤。然而，碳纤维复合材料涡流检测的研究还很少。本文基于这一现实情况，对碳纤维复合材料的涡流检测进行研究。本设计以含有疏松自然缺陷的碳纤维复合材料板材为样品进行涡流检测实验研究。实验在40K-200KHz的检测频率范围内对样品进行检测，研究合适的检测频率以及不同频率对缺陷信号的大小以及提离效应的影响。实验结果表明：涡流检测可用于对样品工件疏松自然缺陷的探伤；在实验探究范围内较为合适的检测频率为110K-150KHz；在探究频率范围内，缺陷信号和提离效应均随着检测频率增大而增大。关键词：碳纤维复合材料；无损检测；涡流检测。Study of Eddy current testin

3、g methods of carbon fiber compositesAbstract: Due to its many advantages particularly high specific modulus and high strength, carbon fiber composite material get more attention in various fields,especially in aerospace.However, investment in the manufacturing and use of the process will inevitably

4、produce flaws.At this stage, the carbon fiber composite material application of more NDT method-ray inspection, ultrasonic testing, infrared thermal imaging detection,and achieved some results but their lack of existence.Compared with those ,conventional eddy current testing has some advantages,not

5、only high reliability, and upon detection without clearing parts of the surface,it can outfield testing of aircraft under the premise of the plane does not decompose.However studies of carbon fiber composite material is also very little eddy current testing.Based on this reality, eddy current testin

6、g of carbon fiber composites were studied.In this study, carbon fiber composite panels that containing loose natural defect eddy current testing samples studied.Experiments in the 40K-200KHz frequency range testing samples for studying suitable detection frequency,the change of defect detection sign

7、al and lift-off effect at different frequencies . The results indicate:Eddy current testing can be used to detect the natural loose defect of the sample; more appropriate detection frequency is 110k-150KHz within the experimental range inquiry;the defect signal and the lift-off effect increased with

8、 increasing frequency of testing in exploring the range of frequencies.Keyword: Carbon fiber composite materials; NDT; Eddy Current Testing . 目录1 绪论11.1 选题的依据及意义11.2 碳纤维复合材料概述21.2.1 复合材料概述21.2.2 碳纤维复合材料简述31.2.3 碳纤维复合材料的应用简述31.3 无损检测技术概述41.3.1 涡流检测技术概述41.3.2 涡流检测的提离效应和趋肤效应61.4 碳纤维复合材料涡流检测的国内外研究现状71.5

9、 本文研究内容92 碳纤维复合材料涡流检测的理论研究102.1 碳纤维复合材料的电磁特性102.2 碳纤维复合材料涡流检测的理论基础113 碳纤维复合材料涡流检测实验研究123.1 实验仪器及样品工件123.1.1 实验仪器123.1.2 样品工件123.2 实验主要研究内容133.3 实验研究方案及主要步骤133.3.1 实验研究方案133.3.2 实验主要步骤144 实验结果分析与处理184.1 实验数据处理185 结论与展望305.1 总结305.2 展望30参考文献32致谢34碳纤维复合材料涡流检测方法研究1.绪论1.1选题的依据及意义 在经济快速发展的现代社会，许多的新兴产业崛起，特

10、别是尖端科学技术的突飞猛进，这些对材料的性能要求也越来越高。复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。相比于钢铁材料，复合材料有许多优越的性能。因此，近年来，复合材料受到越来越多的关注和应用。很多人大胆地预言，人类社会在材料应用上将从钢铁时代渐渐进入到一个复合材料广泛应用的时代。今天，一个国家或地区的复合材料的研究深度和开发应用的广度及其生产发展的速度和规模，已经成为衡量其科技以及经济实力的标志之一，先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争力优势的源泉1。在未来的发展中，复合材料的有很大的发展空间。在航空航天领域，碳纤维复合材料因其独特的低密度、耐高温、高韧性、高化学稳定性、高导热性、高设计

11、容限以及对热冲击不敏感等优良特性被广泛地应用，但是目前的碳纤维复合材料的无损检测研究却相对落后，阻碍了碳纤维复合材料在航空航天领域中的高速发展。 航空航天领域中对材料的安全系数要求极高。其中，在与我们日常生活密切相关的航空领域中，民用飞机的安全检测要求极高，必须在飞机上天之前将安全隐患去除。因此，作为航空领域中占重大比重的碳纤维复合材料，其材料性能安全系数的要求也相应地越来越高。所以，碳纤维复合材料的无损检测技术要求也水涨船高。现有的比较成熟的碳纤维复合材料检测方法有红外热成像检测、激光检测、X射线检测、声发射检测、超声检测、微波检测等。然而，传统的无损检测方法之一的涡流检测较以上几种检测方法

12、在某些方面有一定的优势。首先，涡流检测不仅可靠性高，而且在探测时不需清除零件表面的油脂、积碳和保护层，很多时候可在不分解飞机的前提下，在外场对飞机进行原位探伤2。 因此，在航空领域中，碳纤维复合材料广泛采用涡流检测进行无损探伤。 涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法。它的基本原理可以描述为：当载有交变电流的试验线圈靠近导体试件时，线圈产生的交变磁场会在导体中感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件性能及有无缺陷的影响，而涡流的反作用磁场又使线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定实验线圈阻抗的变化，就可以推断出被检试件性能的变化及有无缺陷的结论。 涡流检测广泛应用在在金属材料中，技术体

13、系已经日趋成熟。然而，碳纤维复合材料的涡流检测技术研究在近些年才开展开来。目前，无论是国内还是国外，相应的文献或技术资料都还很少，研究还只是停留在表面，还有很多问题需要探究。相比于金属材料，碳纤维复合材料内部结构更加复杂，电导率较低且呈电各向异性。因此，对碳纤维复合材料用涡流检测进行无损探伤相比于常见的金属材料更加困难、复杂。本论文基于目前的研究现状，对碳纤维复合材料实物进行涡流检测，探索涡流检测技术在碳纤维复合材料探伤以及性能检测方面的应用。1.2碳纤维复合材料概述1.2.1复合材料概述 复合材料，顾名思义为两种或两种以上不同的材料，通过化学或物理的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料

14、。组成复合材料的不同材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料的综合性能，从而满足不同的材料性能要求。原组成材料虽然在宏观上紧密牢固地结合成一个整体，但它们之间既不相互溶解也不会发生化学反应，通常在复合材料的界面上能够能够区别出来，所以复合材料是一种多向材料3,4. 复合材料根据基体种类可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料等5。其中，树脂基复合材料最先被开发和产业化推广，发展最为迅速，应用最为广泛.根据基体的受热行为可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。其中热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、

15、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。在国内，树脂基复合材料开始于1958年，发展相当迅猛，产品广泛应用于各行业。热塑性复合材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等，在国内发展迅速，但与发达国家仍有很大差距，有很大的发展前景。 在先进复合材料的生产制造过程中，由于对各种工艺参数的严格控制很难做到，以至于复合材料的结构质量稳定性不高，带有一定的随机性，导致缺陷的存在不可避免。此外，在复合材料的使用过程中，静载荷、机械损伤、疲劳、蠕变、过热等原因不可避免都会造成损伤6。 树脂基纤维增强叠层结构复合材料中的常见缺陷包括纤维分层或断裂、脱粘、孔隙、纤维弯曲、疏松、夹杂、富脂、贫脂、划痕、铺层损伤、涂层损伤、热损伤、穿透性损伤、鼓包等6,7。复合材料相比于常见的金属材料具有比重小、比强度和比模量大、优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等优良性能。因此，复合材料在国民经济以及国防军事建设各个领域都得到了广泛的开发和应用，特别是在航空