碳纖維復合材料的電磁渦流無損檢測技術研究.pdf

1、隨著碳纖維增強復合材料在航空航天飛行器、汽車和風力發(fā)電等多個工業(yè)領域的的大量應用，針對這種新型材料的無損檢測方法的研究也日益受到人們的重視。本論文根據碳纖維復合材料的在線檢測需求，深入研究用于碳纖維復合材料的電磁渦流檢測技術。碳纖維復合材料可導電，但電導率小，且表現為很強的電學各向異性。渦流檢測是一種高效無接觸的無損檢測技術，它是基于載流線圈與導電材料間的電磁感應原理實現的，無接觸，不需耦合劑，自動化程度高。渦流法不受檢測對象形態(tài)的限制

2、，對復合材料預成型體和制成件中的損傷檢測均能適用，尤其可用于樹脂傳遞模塑成型和預浸料生產的質量控制。
　　本論文在深入研究碳纖維復合材料的電學特性和渦流通路的基礎上，首次利用簡化矢量磁位和棱邊元的方法開發(fā)了用于碳纖維復合材料的三維電磁場有限元仿真程序，并將其用于復合材料的渦流場和線圈信號計算。創(chuàng)造性地提出將中頻ECT技術用于碳纖維復合材料，開發(fā)出了一套CFRP的中頻渦流檢測系統(tǒng)。采用電磁線圈在CFRP中激勵出電渦流，利用高靈敏度的

3、鎖相放大器提取線圈傳感信號，實現了預浸料鋪層板和編織布復材板中纖維方向以及纖維錯位、裂紋、分層和沖擊等損傷的可視化和高精度成像。具體的內容和創(chuàng)新點如下所示：
　?。?）系統(tǒng)地總結并推導了單向復合材料電導率張量矩陣的一般解和渦流流通路徑。利用阻抗測量的方法得到了單向復合材料試件沿纖維方向、垂直纖維方向和厚度方向的阻抗特性。根據阻抗測量的結果，并引入坐標變換矩陣，推導出各向異性碳纖維復合材料電導率張量矩陣的一般形式，并通過分析得出電渦

4、流在復合材料中的流通路徑；
　?。?）基于麥克斯韋方程推導出碳纖維復合材料中渦流密度和渦流趨膚深度的解析解。研究了碳纖維復合材料和渦流線圈的等效阻抗電路特性，分析了電路中電阻和感抗隨頻率和耦合系數等的變化情況，從阻抗的角度說明了渦流檢測時頻率、提離以及損傷等因素對探頭信號的影響；
　?。?）根據碳纖維復合材料的層合結構和電學各向異性，基于簡化矢量磁位Ar和棱邊元的方法，開發(fā)了碳纖維復合材料的三維電磁場有限元仿真程序，并將其用

5、于復合材料中電渦流和線圈阻抗信號的計算。采用簡化矢量磁位Ar方法可有效處理渦流線圈的運動問題，而基于棱邊元建?？奢p松地解決復合材料層間電磁場量的連續(xù)性問題；
　?。?）通過仿真和實驗的方法，研究鋪層順序和層間界面對渦流值和線圈阻抗的影響，并利用渦流流探頭對碳纖維層合板的體積電導率和纖維排列方向進行測量和表征。利用絕對值型探頭信號可估計出碳纖維層合板的體積電導率大小。通過繪制發(fā)射-接收式旋轉探頭信號的極坐標圖，可得出碳纖維層合板中纖

6、維的排布順序和方向；
　?。?）開發(fā)出了一套用于碳纖維復合材料的中頻渦流檢測系統(tǒng)，頻率達到250kHz，系統(tǒng)主要基于鎖相放大的微弱信號提取技術和渦流C掃描成像方法來工作。根據渦流探頭信號的頻率特性和對于損傷檢測的點擴展函數形式，最終選擇發(fā)射-接收式（T-R）探頭用于復合材料中損傷的檢測。利用T-R探頭對板中的纖維排布方式和損傷進行掃描成像。通過實驗和仿真得出了各種損傷的信號特征，并從掃描圖像分析得出損傷的位置和尺寸。結果表明通過合