1、層狀復(fù)合材料界面結(jié)合質(zhì)量的無(wú)損評(píng)價(jià)層狀復(fù)合材料界面結(jié)合質(zhì)量的無(wú)損評(píng)價(jià)一、項(xiàng)目立論依據(jù) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類(lèi)對(duì)材料提出了越來(lái)越高的要求，既要求其具有良好的綜合性能，如高強(qiáng)度、高剛高強(qiáng)度、高剛度、高韌性、低密度度、高韌性、低密度等性能，又希望其能夠在高溫、高壓、能夠在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等惡劣的環(huán)境下服役強(qiáng)腐蝕等惡劣的環(huán)境下服役。這些是傳統(tǒng)的單一材料所不能滿(mǎn)足的。于是人們想到將一些不同性能的材料復(fù)合起來(lái)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，這樣就出現(xiàn)了復(fù)合材料。 根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)為復(fù)合材料所下的定義，復(fù)合復(fù)合材料材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)采用適當(dāng)?shù)墓に嚱M合而成的一種多相固體材料

2、。復(fù)合材料通常包括基體相基體相和增強(qiáng)相增強(qiáng)相。基體相可以是一個(gè)或幾個(gè)，把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，起著粘結(jié)和傳遞應(yīng)力的作用，又稱(chēng)為連續(xù)相。增強(qiáng)相也可以是一個(gè)或幾個(gè)，起著承受應(yīng)力和顯示功能的作用，又稱(chēng)為分散相。 自20世紀(jì)中葉以來(lái)，復(fù)合材料在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2004年波音公司在研制787上使用了“音速巡航者”所提出的技術(shù)以及機(jī)體設(shè)計(jì)，并決定在787的主體結(jié)構(gòu)(包括機(jī)翼和機(jī)身)上大量采用先進(jìn)的復(fù)合材料。這將使波音787成為有史以來(lái)第一款在主體結(jié)構(gòu)上采用先進(jìn)復(fù)合材料的民用飛機(jī)，復(fù)合材料重量占結(jié)構(gòu)重量的比例將達(dá)到空前的50%，此前這個(gè)比例只有20%。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，復(fù)合

3、材料在飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)到空前的規(guī)模，幾乎被國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)同行推崇到了用復(fù)合材料的裝機(jī)用量標(biāo)榜現(xiàn)代飛機(jī)的先進(jìn)性的地步。 復(fù)合材料包括三大領(lǐng)域：金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites)、陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites)與高分子復(fù)合材料(Polymer Matrix Composites)。 按增強(qiáng)材料的形態(tài)又分為：零維：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。根據(jù)顆粒大小， 又分為彌散顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（1002500）和真正顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料（微米級(jí)）。一維：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。按纖維長(zhǎng)短有分為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料。按纖維種類(lèi)有分

4、為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、金屬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。二維：層（板）狀復(fù)合材料、平面編織復(fù)合材料、片狀材料增強(qiáng)復(fù)合材料。三維：骨架狀復(fù)合材料、立體編織復(fù)合材料。 層狀復(fù)合材料層狀復(fù)合材料是指在基體中含有多重層片狀高強(qiáng)高模量增強(qiáng)物的復(fù)合材料。這種材料是各向異性的(層內(nèi)兩維同性)。如碳化硼片增強(qiáng)鈦、膠合板等。雙金屬、表面涂層等也是層狀復(fù)合材料。層狀復(fù)合材料在其層面方向可以提供優(yōu)良的性能。 層狀復(fù)合材料的特點(diǎn)：可以獲得不同材料的性能組合，如高硬度耐磨材料和柔性材料結(jié)合在一起，形成耐磨且具有柔性的材料。具有表面保護(hù)特性，表面形

5、成耐磨、耐腐蝕、抗老化、防輻射等保護(hù)層。形成新的功能特性，利用層間的物理性能差異，如利用熱膨脹系數(shù)不同的材料制作熱敏元件等。 然而，層狀復(fù)合材料的界面結(jié)合質(zhì)量有時(shí)會(huì)受到制造工藝、生產(chǎn)環(huán)境等因素的影響，產(chǎn)生粘接強(qiáng)度不均勻甚至部分脫粘的情況，從而在實(shí)際使用過(guò)程中引發(fā)嚴(yán)重事故，所以界面結(jié)合的質(zhì)量成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。 由于超聲超聲對(duì)界面結(jié)合特性非常敏感，因此，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家一直致力于粘接結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)研究。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，設(shè)備費(fèi)用低，粘接件的厚度和不連續(xù)性的深度對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響不大。超聲檢測(cè)可對(duì)試件進(jìn)行宏觀(guān)的缺陷檢測(cè)、幾何特征定位、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)試件的使用特性進(jìn)行評(píng)估

6、。為了適應(yīng)不同的試件檢測(cè)需求，可選用的檢測(cè)波形分為縱波、橫波及蘭姆波等。用于檢測(cè)多層粘接結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)手段主要包括超聲脈沖回波法、穿透法、板波誘發(fā)波法、漏隙蘭姆波法及斜聲束法。 超聲波檢測(cè)后只有正確地分析信號(hào)才能準(zhǔn)確地提取特征信息，進(jìn)一步給出無(wú)損評(píng)價(jià)。對(duì)于復(fù)合材料界面存在脫粘的情況來(lái)說(shuō)，檢測(cè)到的回波信號(hào)是由粘接界面上的多次回波疊加而成，信號(hào)的疊加必然會(huì)造成回波信號(hào)幅度值的突變，引起信號(hào)的不連續(xù)。為此，有必要尋找一種更準(zhǔn)確的方法對(duì)信號(hào)有必要尋找一種更準(zhǔn)確的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析進(jìn)行分析。 小波變換小波變換是在傅立葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的時(shí)頻分析方法。它在時(shí)-頻平面上具有可變的時(shí)間和頻率分辨率

7、以及良好的局部化特性，所以在信號(hào)處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 小波變換的一個(gè)優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)在于可以將信號(hào)的低頻部分和高頻部分分離，分別進(jìn)行研究。利用脈沖回波法測(cè)量時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，回波強(qiáng)度越大，結(jié)合質(zhì)量越差（原因是若復(fù)合材料界面存在脫粘，多層散射使超聲波穿過(guò)試件時(shí)出現(xiàn)許多回波）。而對(duì)于復(fù)合材料界面存在脫粘的情況來(lái)說(shuō)，根據(jù)信號(hào)理論，信號(hào)的突變部分屬于高頻分量。對(duì)于檢測(cè)回波信號(hào)來(lái)說(shuō)，這些高頻分量必然與界面的粘接質(zhì)量有緊密的聯(lián)系，因此可以使使用小波變換把高頻分量分離出來(lái)，通過(guò)對(duì)高頻分量的分析來(lái)用小波變換把高頻分量分離出來(lái)，通過(guò)對(duì)高頻分量的分析來(lái)得到界面的結(jié)合質(zhì)量信息得到界面的結(jié)合質(zhì)量信息。例如，隨著脫粘程度的增加

8、，回波信號(hào)高頻分量的能量有明顯的增加。因此回波信號(hào)高頻分量的能量可以作為判斷脫粘程度的一個(gè)特征值。 然而，目前對(duì)于層狀復(fù)合材料的回波信號(hào)特征的小波分析尚未形成完善的系統(tǒng)，研究也只停留在理論階段，未能應(yīng)用到生產(chǎn)中。 本項(xiàng)目受?chē)?guó)內(nèi)一些研究的啟發(fā)，利用脈沖回波法+小波分析法，給出表面附有絕熱層的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體這種層狀復(fù)合材料的界面結(jié)合質(zhì)量的評(píng)價(jià)。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果編號(hào)整理，給工廠(chǎng)實(shí)際檢測(cè)時(shí)提供參考，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。二、項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo)，以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題1.項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容（1）用脈沖回波法檢測(cè)帶人工缺陷的層狀復(fù)合材料時(shí)的回波并記錄；（2）用小波變換的方法分離回波中與界面結(jié)合質(zhì)

9、量有關(guān)的分量（高頻分量），計(jì)算高頻分量的能量，并與存在一定脫粘率的試樣一一對(duì)應(yīng)，給出層狀復(fù)合材料界面結(jié)合質(zhì)量的評(píng)價(jià)；（3）將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成系統(tǒng)，給工廠(chǎng)實(shí)際檢測(cè)時(shí)提供參考。2.項(xiàng)目的研究目標(biāo)項(xiàng)目的研究目標(biāo) 通過(guò)小波變換的分析技術(shù)，評(píng)價(jià)層狀復(fù)合材料界面的結(jié)合質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。3.擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 利用小波變換將回波中的高頻分量分離出來(lái)，計(jì)算高頻分量的能量，并與試件的脫粘率建立起聯(lián)系。三、擬采取的研究方案、技術(shù)路線(xiàn)及可行性分析1.研究方案研究方案（1）查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)方法、步驟，為實(shí)施實(shí)驗(yàn)提供理論和實(shí)際依據(jù)；（2）設(shè)計(jì)制作四個(gè)針對(duì)不同缺陷的、由鋼殼體和三元乙丙橡膠絕熱

10、材料粘結(jié)而成的檢測(cè)試件；（3）用超聲脈沖回波法分別檢測(cè)四個(gè)試件的回波并記錄；（4）將記錄的回波信號(hào)做小波變換分析，將其中的高頻分量分離出來(lái)，分別計(jì)算它們高頻分量的能量，與相應(yīng)的脫粘率制成表格；（5）總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并整理成系統(tǒng)。2.技術(shù)路線(xiàn)技術(shù)路線(xiàn)（1）試件的制備： 制作的四個(gè)試件均由鋼殼體和三元乙丙橡膠絕熱層粘結(jié)而成，長(zhǎng)、寬分別為100、80mm，鋼殼體厚度為3mm，絕熱層厚度為5mm，設(shè)計(jì)的人工缺陷分別為：試件1：在絕熱層的粘結(jié)界面上設(shè)計(jì)6個(gè)圓形脫粘缺陷，直徑從左到右依次為：0.5、1、1.5、11、11.5和12；試件2：在絕熱層的粘結(jié)界面上設(shè)計(jì)6個(gè)圓形脫粘缺陷，直徑從左到右依次為：2、2.

11、5、3、9.5、10和10.5；試件3：在絕熱層的粘結(jié)界面上設(shè)計(jì)6個(gè)圓形脫粘缺陷，直徑從左到右依次為：3.5、4、4.5、8、8.5和9；試件4：在絕熱層的粘結(jié)界面上設(shè)計(jì)6個(gè)圓形脫粘缺陷，直徑從左到右依次為：5、5.5、6、6.5、7和7.5。說(shuō)明：1）本實(shí)驗(yàn)不考慮缺陷與缺陷之間的相互作用，用圓形脫粘缺陷代替可能存在的復(fù)雜形狀的缺陷。2）本實(shí)驗(yàn)所用試件面積為10080=8000mm，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中脫粘率在1.5%以上時(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量便難以保證，也就無(wú)需做無(wú)損評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算選取以上脫粘率在1.5%以下的24個(gè)圓形脫粘缺陷的直徑。（2）對(duì)回波信號(hào)作小波變換分析的步驟如下：1）確定小波基函數(shù)和分解等級(jí)。

12、小波變換是將信號(hào)分解到一系列小波函數(shù)上，小波函數(shù)是從一個(gè)原始小波基函數(shù)通過(guò)相應(yīng)的尺度變換和時(shí)間平移得到的。因此，小波變換實(shí)質(zhì)上就是用一系列基小波去逼近原信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)選用的小波基函數(shù)是Daubechies函數(shù)族中的db4小波，因?yàn)樗钦弧⒕o支撐小波，具有線(xiàn)性相位、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。小波變換在計(jì)算時(shí)采取的是逐級(jí)分解的方式，即從原始信號(hào)開(kāi)始逐級(jí)分解為低頻分量和高頻分量。分解的級(jí)數(shù)一般可以自由確定，本文采取分解級(jí)數(shù)為23級(jí)；2)回波信號(hào)的分解與恢復(fù)。對(duì)回波信號(hào)分別作23尺度的一維小波分解，然后進(jìn)行小波逆變換，分別恢復(fù)回波信號(hào)在23個(gè)等級(jí)的高頻分量；3)計(jì)算所有等級(jí)下高頻分量的能量總和，計(jì)算公式為：其中，dj表示回波信號(hào)第j級(jí)小波分解后恢復(fù)得到的高頻分量。 對(duì)上述24個(gè)等級(jí)的試件進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，采樣回波信號(hào)后進(jìn)行小波變換分析，計(jì)算它們高頻分量的能量并填寫(xiě)能量與脫粘率一一對(duì)應(yīng)的表格。3.可行性分析可行性分析 本課題得到中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程系的高度重視，現(xiàn)給團(tuán)隊(duì)提供實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相關(guān)設(shè)施，包括超聲波檢測(cè)儀等，具備應(yīng)有的工作條件。且團(tuán)隊(duì)中包括相關(guān)人才，確保大量計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)制定了周密有序的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，能保證研究在規(guī)定的時(shí)