● 摘要
碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀等优良性能，近年来广泛应用于航空航天领域。孔隙是碳纤维复合材料中的一种不可避免的缺陷，并且孔隙会对材料的层间剪切强度和弯曲强度造成严重影响，进而影响材料使用寿命。 为保障碳纤维复合材料产品质量，帮助改进材料制备工艺，研究了碳纤维复合材料孔隙率超声无损检测的相关理论与检测方法，并开发了一套碳纤维复合材料孔隙率超声检测系统。 首先，建立采用脉冲穿透法进行碳纤维复合材料孔隙率检测的超声波传播模型。采用热压罐成型工艺制备了一系列的含孔隙的碳纤维复合材料试样，根据层合板设计理论，计算出试样的弹性系数矩阵，从而建立了该方法下的超声波在含孔隙的碳纤维复合材料中的传播模型。 其次，通过金相显微实验，获得碳纤维复合材料试样中孔隙形貌及分布与孔隙率的定性关系，建立随机孔隙模型，提出采用改进的时域有限差分法对建立的超声传播模型进行数值计算，得到了理论超声衰减系数－孔隙率曲线。 最后，建立了碳纤维复合材料孔隙率超声检测系统并进行检测实验。采用反射板法获得了试样的衰减系数，并通过相对密度法得到了试样的孔隙率，从而建立实测的超声衰减系数－孔隙率曲线。将其与数值计算得到的理论曲线进行对比，证明了计算的正确性，同时验证了研制的碳纤维复合材料孔隙率超声检测系统具有较准确完成复合材料孔隙率测量的功能。 研究工作表明，利用超声衰减系数衡量碳纤维复合材料孔隙率的方法是可行的。