碳纤维复合材料涡流检测的研究现状

  碳纤维是主要由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量随种类不同而异,一般在90%以上。碳纤维是一种新型非金属材料,是发展最迅速,应用范围最广的纤维材料,可满足多个领域的要求。碳纤维和它的复合材料具有密度低、耐化学腐蚀、耐摩擦、抗辐射、减震、降噪等一系列的优异性能,而且作为纤维它还有柔软性和可编、可纺织性,特别突出的是它拥有高比强度和高比模量两大特性.CFRP是八十年代后期发展起来并备受重视的一类结构材料。随着制备技术的不断进步,其发展十分迅速,被广泛运用在航空航天、舰船、核工业、兵器工业、汽车工业、民用建筑、电力电子等领域。

  CFRP由不同纤维方向的单层材料层压或编织而成,每层的厚度介于0.05~0.25mm之间。单层材料由碳纤维和不具备导电性的基体材料融合而成.CFRP具有导电性,并且是电各向异性的。一-般认为,CFRP在顺着碳纤维方向的纵向电导率在5x10^3-5x10^4S/m之间,而在垂直于纤维方向的横向电导率在10~100S/m之间。同时在层压或编织结构中,每层碳纤维材料之间也会存在电导率,这个电导率比较小,大约是横向电导率的一半左右。

  CFRP具有一定的导电能力,理论上可以用涡流检测技术进行检测。而且涡流检测与其他检测技术相比具有成本低、设备简单、操作方便等优点,因此CFRP涡流检测的研究具有重要意义。虽然CFRP具有一定的导电能力,但其电导率较金属材料小得多,并且不同方向上的电导率是不一样的,这就增加了涡流检测的难度。如何设计检测探头以及设置良好的检测条件以提高检测的灵敏度和信噪比,成为CFRP祸流检测研究的重点之一。实验探究的方法是最早也是最常用的CFRP涡流检测的研究方法。

  随看计算机技术的发展以及仿真研究的进步,部分学者将目光投向CFRP涡流检测的仿真研究。相比于实验研究,利用计算机对涡流检测进行仿真研究具有设备简单,研兖成本低,研究方法灵活等优势。

  虽然CFRP的涡流检测在实验研究和计算机模拟两个方面都取得了一定的进展,但仍有许多问题需要进一步的研究。未来可能的研究方向有:

  (1)目前CFRP涡流检测的仿真研究还处在起步阶段,国内外对这方面的研究都比较少,还有待于今后的深人研究才能进-步发挥计算机仿真技术的优势,充分发挥其指导实验研究并与实验研究相互验证的功用。

  (2)实际CFRP中的碳纤维分布不均匀,缺陷形式多种多样,这给CFRP涡流检测的实验研究带来了很大的困难。虽然目前基于HTS SQUID磁力计的涡流检测系统能够较好得完成对复合材料损伤的检测,但也不能检测出所有的缺陷类型。因此,今后还需对如何更好的设计检测探头,排除碳纤维分布不均匀带来的干扰,以及如何检测更多类型的缺陷做进-步的研究。

  (3)虽然SQUID是最灵敏的磁场测量器件,但其工作频率低,此时CFRP中的涡流密度很小,对检测不利。而且,SQUID体积大,操作复杂,不利于现场检测。今后应重点研究高频检测。频率高时,用普通线圈就可以得到较大的信号。

  (4)实际检测过程中,为了更好的保证检测精度,往往不是采用单一的检测技术手段。因此在今后的CFRP涡流检测研究当中,还应重视与其他检测技术手段的结合,这在一定程度上可以提升检测效果,使检测的准确性更高。