復合材料中碳纖維方向和彎曲缺陷的微波檢測

楊玉娥， 閆天婷， 任保勝

(1.濟南大學機械工程學院，濟南 250022;2.北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術(shù)學院，北京 100124;3.濟南大學材料科學與工程學院，濟南 250022)

碳纖維復合材料是用碳纖維等高性能增強相增強的復合材料，先進樹脂基復合材料在綜合性能上與鋁合金相當，但比剛度、比強度高于鋁合金［1］。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，以及在高溫、化學穩(wěn)定性要求高的場合，碳纖維復合材料都頗具優(yōu)勢;在土木建筑、交通運輸、航空工業(yè)以及化工等領域得到廣泛應用，但是復合材料在生產(chǎn)過程中工藝不穩(wěn)定，缺陷無法完全避免。鮑永杰等［2］研究發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)︺@孔缺陷的形成有嚴重的影響;軸向力越大，分層缺陷越嚴重，并且撕裂缺陷迅速增大。徐志偉等［3］研究了異形截面碳纖維對復合材料力學性能的影響，結(jié)果表明，異形截面碳纖維復合材料的力學性能和T300環(huán)氧復合材料接近，對液體的浸潤性能好，但纖維在材料中的分布均勻性差。楊巖［4］針對U-3160單向碳纖維織物組織結(jié)構(gòu)松弛、布面不平整和纖維彎曲現(xiàn)象，在預浸前對其進行了必要的整理改進，從而有效減少了預浸料中碳纖維的彎曲現(xiàn)象，研究結(jié)果表明，改善后的復合材料，力學性能得到了明顯的提高。李娜等［5］通過研究不同鋪層方向?qū)雍习宓牧W性能發(fā)現(xiàn)，鋪層方式對模板、補片和膠層上的應力分布影響很大，應力主要集中分布在0°方向鋪層上。李麗英等［6］發(fā)現(xiàn)碳纖維織物的結(jié)構(gòu)形式對復合材料的力學性能有很大的影響。

為了保證碳纖維復合材料的質(zhì)量，需要對復合材料中的碳纖維進行檢測。王兵等［7］利用聲發(fā)射技術(shù)對碳纖維復合材料的彎曲損傷進行了研究，結(jié)果表明，碳纖維鋪層在損傷與斷裂不同階段所釋放的聲發(fā)射信號特征不同，聲學檢測能有效的監(jiān)測其剪切分層、張力分層和混合分層過程，有效判斷碳纖維復合材料內(nèi)部活動過程和判定損傷類型，在碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)與完整性評價中有良好的應用價值。

微波無損檢測可以進行快速的掃描檢測，其中接觸式檢測是空氣耦合，不需要耦合劑，不會對檢測材料造成污染，因此是一種適合碳纖維復合材料無損檢測的新方法。目前國外專家針對碳纖維復合材料的微波檢測進行了研究，Akuthot等［8］利用終端開口矩形波導對碳纖維復合材料與砂漿基體間的脫粘進行了近場微波無損檢測，研究表明，在10GHz和24GHz時利用微波檢測技術(shù)可以檢測的脫粘最小尺寸分別為2cm 和0.5cm。Kharkovsky等［9］利用雙極化近場微波反射計檢測了碳纖維復合材料與水泥混凝土間的脫粘，這種方法可以消除提離距離對檢測結(jié)果的影響。Sediq等［10］利用近場微波成像技術(shù)對碳纖維復合材料內(nèi)部的空隙進行了檢測研究，仿真結(jié)果顯示不同位置的能量分布與理論結(jié)果相同。由于矩形波導和圓形波導極化方向的不同，在檢測空隙時圓形波導更具有優(yōu)勢。Lopoto等［11］利用太赫茲成像技術(shù)對多種復合材料的內(nèi)部缺陷和纖維進行了檢測，結(jié)果表明:信號的反射脈沖可以表征鋼板與陶瓷層間的脫粘缺陷;太赫茲成像技術(shù)可以表征玻璃纖維復合材料內(nèi)部的缺陷和玻璃纖維的方向、分布等;對碳纖維復合材料的檢測表明，微波信號可以表征復合材料表面粗糙度和復合材料中纖維的方向。

朱正吼［12］研究了碳纖維方向?qū)秃喜牧辖殡姵?shù)的影響，結(jié)果表明纖維方向不同時復合材料的介電常數(shù)會發(fā)生明顯的變化。黃遠等［13］研究了碳纖維氈中纖維形貌對復合材料吸波性能的影響，表明碳纖維的表面形貌會對復合材料的微波反射產(chǎn)生一定的影響。劉新等［14］通過研究異形截面碳纖維復合材料的吸波性能發(fā)現(xiàn)，碳纖維的截面不同會對復合材料的反射率造成明顯的影響。Fu等［15］研究了定向分布碳纖維復合材料的介電性能，結(jié)果表明，在微波頻率段纖維的方向會影響復合材料的介電特性。因此，可以利用微波的反射系數(shù)表征復合材料中碳纖維方向的變化和碳纖維缺陷的有無。

綜上所述，利用微波技術(shù)對碳纖維復合材料進行無損檢測已經(jīng)成為無損檢測領域的熱點和難點之一，迄今為止，主要檢測碳纖維復合材料與其他材料之間的脫粘，對復合材料本身的特性檢測還很不完善。如何利用微波技術(shù)對碳纖維復合材料的內(nèi)部特性進行檢測未見報道，本工作利用N5225A網(wǎng)絡分析儀對復合材料中的碳纖維方向和缺陷進行了微波無損檢測。

1 實驗

1.1 試樣

通過熱壓罐和模壓工藝將T700預浸料加工成三層碳纖維復合板，即把鋪設好的層合板在0.05MPa、140℃狀態(tài)下放置4小時，自然冷卻至室溫，取出即得試樣。試樣分為兩組:即不同纖維方向的試樣和纖維彎曲變形的試樣。圖1為兩種纖維方向試樣的示意圖，圖1a表示三層的碳纖維方向為0°/0°/0°，圖1b 表示三層的纖維方向為 0°/90°/0°。檢測中間層缺陷時采用碳纖維方向為0°/90°/0°的試樣，圖2為中間層纖維缺陷的復合材料試樣，圖2a為無缺陷的試樣示意圖;圖2b為有缺陷的試樣示意圖;圖2c為有彎曲缺陷試樣的實物圖。彎曲缺陷的形成:利用兩個針狀物，與纖維成90°角度施加方向相反的外力，使纖維與0°方向呈現(xiàn)一定的角度，以此作為預設的纖維彎曲缺陷。

圖1 試樣中的碳纖維方向Fig.1 Carbon fiber direction in samples(a)0°/0°/0°;(b)0°/90°/0°

圖2 試樣中的碳纖維缺陷 (a)無纖維彎曲的中間層模型;(b)有纖維彎曲的中間層模型;(c)有纖維彎曲的中間層試樣Fig.2 Carbon fiber defects in samples (a)model of the middle layer without bending fiber;(b)model of the middle layer with bending fiber;(c)sample of the middle layer with bending fiber

1.2 檢測裝置

微波檢測復合材料的實驗裝置如圖3所示，主要包括N5225A網(wǎng)絡分析儀、同軸電纜、矩形波導探頭。由網(wǎng)絡分析儀N5225A(安捷倫)通過同軸電纜向矩形波導探頭R281A提供30～40GHz的微波信號，矩形波導探頭既作為發(fā)射探頭又作為接收探頭，記錄微波信號的反射系數(shù)幅值和相位。為了保證探頭與復合材料的良好接觸，檢測中施加一定的外力。

檢測不同的復合材料試樣時，波導口的長邊與第一層的碳纖維方向平行，以降低第一層的碳纖維對檢測結(jié)果的影響。碳纖維方向的檢測，分別記錄0°/0°/0°和 0°/90°/0°碳纖維復合材料的反射系數(shù)相位和幅值;碳纖維缺陷的檢測，分別記錄中間層有無缺陷復合材料的反射系數(shù)相位和幅值;計算相位差和幅值差。

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental device

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維方向檢測

圖4 為碳纖維方向0°/0°/0°和0°/90°/0°的復合材料的微波反射系數(shù)幅值和幅值差。圖4a為兩種復合材料的微波反射信號幅值，0°/90°/0°的碳纖維復合材料的反射系數(shù)幅值隨頻率基本不變，并且與全反射的幅值1比較接近;0°/0°/0°的碳纖維復合材料板的反射系數(shù)幅值隨工作頻率的增大而下降，同頻率下的反射系數(shù)幅值比0°/90°/0°的碳纖維復合材料板的要小。圖4b顯示了兩種纖維方向的復合材料的微波反射系數(shù)幅值差，在40GHz時幅值差最大，為0.37。造成這兩種復合材料對微波信號反射系數(shù)不同的原因是中間層的纖維方向。在整個層壓板的范圍內(nèi)，0°/90°/0°的復合材料板中碳纖維呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對微波信號的反射能力較強，反射系數(shù)幅值接近全反射幅值1;而0°/0°/0°的復合材料板中碳纖維束是同一個方向，微波信號可以通過纖維束間的狹縫進入復合材料中，致使其反射系數(shù)幅值降低。

圖4 反射系數(shù)幅值(a)和幅值差(b)與頻率的關(guān)系Fig.4 Relations of reflection coefficient amplitudes vs frequencies(a)and amplitude differences vs frequencies(b)

圖5 反射系數(shù)相位(a)和相位差(b)與頻率的關(guān)系Fig.5 Relations of reflection coefficient phases vs frequencies(a)and phase differences vs frequencies(b)

圖5 為0°/0°/0°和 0°/90°/0°的復合材料的微波反射系數(shù)相位和相位差。圖5a為反射系數(shù)的相位，在30 ～40GHz范圍內(nèi)，0°/90°/0°的碳纖維復合材料的微波反射系數(shù)相位隨頻率的增大程減小趨勢，但是減小幅度不大，整個頻率范圍內(nèi)相位值接近全反射的 180°;在 30 ～40GHz范圍內(nèi)，0°/0°/0°的碳纖維復合材料的微波反射系數(shù)相位隨工作頻率的增大也呈減小趨勢，減小幅度相對較大，在10GH的頻率變化范圍內(nèi)，相位差減小了40°。圖5b為兩種復合材料的微波反射系數(shù)相位差，相位差隨著工作頻率的增大而呈上升趨勢，主要是由兩種復合材料的反射系數(shù)相位對工作頻率變化的敏感程度不同造成的。

實驗結(jié)果表明，利用微波信號的反射系數(shù)幅值和相位可以表征中間層碳纖維的方向，在最高頻率點40GHz時，兩種復合材料的微波信號反射系數(shù)幅值差達到37%的靈敏度，相位差達到23%的靈敏度。

2.2 纖維彎曲缺陷檢測

圖6為中間層有/無彎曲缺陷的碳纖維復合材料的微波信號反射系數(shù)幅值和幅值差。圖6a為反射系數(shù)幅值，由于兩種復合材料板中間層的纖維相對于頂層的纖維方向都是90°，整個復合材料板中的碳纖維形成網(wǎng)格狀，因此反射系數(shù)幅值都接近于全反射時的值1，但兩者之間還有差距，在38GHz時差值最大;為了更清楚的表達兩者的差距，繪制了微波信號反射系數(shù)幅值差，如圖6b，幅值差隨頻率的增大并不是線性變化的，在38GHz頻率點出出現(xiàn)了波峰，波峰值為0.047，即在此工作頻率時檢測的靈敏度最高可以達到4.7%，檢測靈敏度比檢測不同纖維方向試樣時降低了。

圖6 有無彎曲缺陷的反射系數(shù)幅值(a)和幅值差(b)與頻率的關(guān)系Fig.6 Relations of reflection coefficient amplitudes vs frequencies(a)and amplitude differences vs frequencies(b)of the samples with and without bending defect

圖7為中間層有/無彎曲缺陷的碳纖維復合材料的微波信號反射系數(shù)相位和相位差。圖7a為反射系數(shù)相位，相位隨著頻率的增大而減小，在33～38GHz頻率范圍內(nèi)，兩者產(chǎn)生了明顯的差異，有彎曲缺陷復合材料的反射相位明顯減小;圖7b為兩者相位差，在35.5GHz附近出現(xiàn)了明顯的波峰值，相位差最大為2.69°，此工作頻率稱為敏感工作頻率，在敏感工作頻率點進行檢測可以達到1.5%的檢測靈敏度。

圖7 有無彎曲缺陷的反射系數(shù)相位(a)和相位差(b)與頻率的關(guān)系Fig.7 Relations of reflection coefficient phases vs frequencies(a)and phase differences vs frequencies(b)of samples with and without bending defect

3 結(jié)論

(1)微波反射系數(shù)幅值和相位都可以表征纖維方向為 0°/0°/0°和 0°/90°/0°的碳纖維復合材料的區(qū)別。在最高頻率點40GHz時，兩種復合材料的微波信號反射系數(shù)幅值差達到37%的靈敏度，微波信號反射系數(shù)相位差達到23%的靈敏度。

(2)微波反射系數(shù)幅值和相位可以表征中間層碳纖維彎曲變形的缺陷。在38GHz工作頻率點，利用反射系數(shù)幅值進行表征，檢測的靈敏度最高可以達到4.7%;在35.5GHz工作頻率，利用反射系數(shù)相位進行表征，可以達到1.5%的檢測靈敏度。

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