考虑孔隙细观形貌随机性的复合材料孔隙率超声无损检测原理和方法

The mesoscale morphology of random void in composite materials has significant influences on ultrasonic propagation. The void morphology was hypothesized over-simplifiedly in the existing ultrasonic technique of porosity using attenuation coefficient, and there is apparent deviations between various theoretical predictions and experimental results. Aiming to nondestructive prediction of porosity, which is demanded urgently for aeronautic composites,this project has been proposed. During our research, the principle of "mesoscale distinguishable, macroscale measurable, unique result, accurate and reliable" will be followed. For the carbon fiber reinforced composite materials, the random medium theory and statistical method are combinedly applied to establish the 3D random void model (RVM). The relation between porosity and void morphology will be discussed. According to the entropy theory, the quantitative evaluation principle and method of the uncertainty of simulation results for random void morphology will be proposed. Combining ultrasonic testing experiments and numerical calculations, influences of porosity and void morphology on ultrasonic propagation will be comprehensively analyzed, and ultrasonic attenuation mechanism of composites containing voids can be deeply understood and cleared. Based on the sensitivity differences of acoustic impedance and attenuation coefficient on the porosity and void morphology, the accurate nondestructive testing principle and method for porosity of composite materials will be established. This study has apparently primitive innovations,which can not only promote to establish reliable porosity nondestructive testing technique for aeronautic composites, but also provide novel reference for mesomechanics of composite materials.

复合材料孔隙细观随机形貌对超声波传播有显著影响。针对现有超声衰减法检测孔隙率研究中对孔隙形貌的假设过于简化，导致理论预测和实验结果存在明显偏差的问题，遵循"细观可辨、宏观可测、结果唯一、准确可靠"的原则，瞄准航空复合材料孔隙率无损检测的迫切工程需求开展研究。针对碳纤维增强复合材料，将随机介质理论和统计学方法相结合，建立三维随机孔隙模型。考查孔隙率与孔隙形貌之间的相关性，依据信息熵理论对孔隙随机形貌模拟结果的不确定性进行度量。将超声检测实验研究和数值模拟相结合，综合分析孔隙率、孔隙形貌对超声波传播特性的影响，阐明含孔隙复合材料超声衰减机理。基于声阻抗和衰减系数对孔隙率以及孔隙形貌特征敏感度的差异，提出准确可靠的复合材料孔隙率无损检测原理和方法。研究工作具有明显的原始创新性，不但能够推动建立航空复合材料孔隙率无损检测技术，同时能够为复合材料细观力学研究提供全新的思路借鉴。

针对孔隙率P=0.58%~3.49%的热压成型单向碳纤维增强复合材料（Carbon Fibre Reinforced Plastics, CFRP）试样，采取金相显微观察、孔隙几何形貌特征统计以及超声实验测试、数值模拟计算等方法，对孔隙几何形貌的统计性及对其超声散射机理进行了系统研究。.(1)采用连续切片法对CFRP孔隙形貌进行三维重建，重建结果可直观准确地反映孔隙的形貌和分布特征；同时，借助重构的CFRP三维孔隙形貌数据，建立三维随机孔隙模型，二者的重建结果取得了较好的相似性。.(2)考虑孔隙形貌的复杂性和随机性，从CFRP金相照片入手，通过数字图像处理技术直接对CFRP中孔隙形貌特征进行原位提取，建立真实形貌孔隙模型（Real Morphology Void Model, RMVM）。.(3)对RMVM中孔隙形貌参量进行统计分析，如孔隙面积、宽度、高度，并研究了不同孔隙形貌对超声波传播的影响。统计发现：低孔隙率时（P ≤ 1.5%），孔隙截面为圆形，孔隙宽度、高度和个数均随孔隙率增大而增大；高孔隙率时（P > 1.5%），孔隙截面为椭圆形，孔隙宽度继续增大，孔隙高度和个数不再增加。对于同孔隙率具有不同形貌的RMVM，孔隙个数越多，孔隙尺寸分布越均匀，其超声衰减系数α值越大。.(4)基于二维RMVM，采用有限差分方法对超声波在复合材料中的传播过程进行数值模拟，并计算超声波衰减系数。根据仿真及实验结果，确认了CFRP孔隙率与超声衰减系数之间呈非唯一对应关系。.(5)分析孔隙形貌特征对超声传播特性的影响，发现归一化波数与孔隙横向尺寸乘积kD = 0.63 < 1时，超声波在CFRP中的散射满足瑞利散射机制；而当kD = 1.04 ≈ 1时，则满足随机散射机制。当超声波在CFRP复合材料中传播时，声束遇到不同尺寸的孔隙，将同时面临瑞利和随机两种机制下的散射。在相同孔隙率下，如果孔隙尺寸分布存在差异，满足不同散射机制的孔隙比例不同，衰减系数就有可能不同；除此之外，孔隙位置随机分布的影响，也导致P 与α之间呈现非唯一对应关系。.(6)本研究揭示了含有真实形貌复合材料与超声波之间的作用机理，为复合材料孔隙率超声检测提供理论依据和技术支撑。