纖維增韌陶瓷基復合材料均勻性評價方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波評價方法，具體涉及一種超聲波評價復合材料均勻性方 法。
【背景技術】
[0002] 陶瓷材料具有高比強度、高比模量、耐高溫等優(yōu)良特性，在很多領域里都有著廣闊 的應用前景，從航空推進技術的發(fā)展歷程來看，發(fā)動機關鍵部件的結構及材料使用趨向于 整體化、輕質化。但這種材料同時也具有強脆性，從而制約了其應用，往其中復合纖維而成 為纖維增強復合材料，可以增加其韌性。陶瓷基復合材料在航空、航天、國防等眾多領域有 著巨大的應用價值。針對我國在CFCC的無損檢測研究中存在的方法少和檢測能力受限等問 題，開展對CFCC的超聲檢測方法研究是非常必要的。如何找到一種合適的，滿足要求的無損 檢測方法，具有重要意義。目前，國內外主要采用紅外和X射線的方法進行檢測，紅外熱波法 能夠獲得一些材料特征，但檢測深度不足;X射線法具有明顯優(yōu)勢，但X射線檢測存在沿射線 方向累加效應，使得該方法無法檢測到盲孔缺陷沿深度方向的分布。無損檢測的另一重要 方法一一超聲檢測，在陶瓷基復合材料領域的研究應用較少。通過分析聲學特征參量一一 聲速、聲衰減及非線性與材料特性的關系來評估材料質量，并進行聲速、衰減、非線性系數 測量及成像，實現材料均勻性的超聲評價。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明解決復合材料不均勻性超聲評價的問題，提出用材料聲學特性來評價材料 均勻性，該方法既容易達到，又能準確反映材料內部均勻性。
[0004] 本發(fā)明是這樣來實現的，纖維增韌陶瓷基復合材料均勻性評價方法，其特征在于 方法步驟如下： (1) 將待檢材料劃分成小方格，使用一發(fā)一收穿透法測量每一個方格點的聲速，檢測過 程為:脈沖發(fā)生器向換能器發(fā)射超聲波信號，經耦合劑進入待檢材料中，超聲波到達材料底 面后被接收換能器接收，接收信號在示波器上進行顯示，讀取接收信號信息，計算出材料聲 速。記錄每一點的聲速后，使用matlab插值法對數據進行處理，將各點聲速進行成像，用聲 速的分布圖反映材料均勻性； (2) 將待檢材料放入水浸超聲波檢測系統(tǒng)，進行評價;評價過程為:將待檢材料放入超 聲波檢測系統(tǒng)，脈沖發(fā)生器向換能器發(fā)射超聲波信號，經水介質進入待檢材料中，超聲波到 達材料底面后被接收換能器接收，再經換能器的壓電轉換效應傳回脈沖發(fā)生器，所有發(fā)射 與接收信號均由脈沖發(fā)生器傳給數字示波器進行顯示與分析。利用軟件對結果進行處理， 用接收波幅值成像處理結果，閘門高度根據實際情況進行調整，使試塊上各個部分的衰減 都得以體現； (3) 將待檢材料劃分成小方格，使用RAM-5000-SNAP非線性超聲測試系統(tǒng)測量材料的二 階、三階非線性系數;評價過程為：由非線性超聲測試系統(tǒng)產生脈沖周期，發(fā)射激勵信號，依 次經過衰減器，高能低通濾波器后，作用在所選用的鈮酸鋰鏡片上，使其激發(fā)出大振幅超聲 波，通過耦合劑耦合后進入待檢材料中，大振幅超聲波與材料中的孔隙等微缺陷相互作用 后，由寬帶探頭接收，經過高通濾波器濾波后回到RAM-5000-SNAP非線性超聲測試系統(tǒng)進行 信號處理和諧波分析。計算出二階、三階非線性系數后，再用matlab對其進行成像。
[0005]進一步的，所述聲速測量方法:首先需要根據樣品上各點測量得到的時域圖，讀出 超聲信號起跳點與一次回波之間的時間間隔t，又知聲波在起跳點與一次回波之間穿過樣 品整個厚度D，故聲速為：
(1) 進一步的，所述非線性系數測量方法:單一頻率正弦超聲波將與介質間產生非線性相 互作用，從而產生高次諧波，可以用二階非線性系數和三階非線性系數分表征材料的非 線性效應，定義為：
其中k=_/c為波數，朽為角頻率，e為波速，y：|丨:，和:為分別為基波，二次諧波 幅值和三次諧波幅值，I為波傳播的距離。
[0006]進一步的，所述步驟(1)中的超聲波檢測系統(tǒng)，主要包括脈沖發(fā)生器、換能器、數字 示波器;其特征在于:脈沖發(fā)生器分別連接數字示波器和兩個換能器。
[0007]進一步的，所述小方格，其尺寸根據換能器尺寸進行調整。
[0008]進一步的，所述穿透法，是一種一發(fā)一收的超聲檢測方法。穿透法中，聲波能量只 穿透工件一次便被探頭接收，接收信息中包含了試塊內部情況，對于這種高衰減材料，在檢 測過程中減少了衰減，使聲速和幅值的測量更加準確，波形也更加清晰便于測量。
[0009]進一步的，所述聲速評價材料均勻性，由于材料的各向異性，在厚度方向上彈性模 量、泊松比都未知，所以無法計算出理論聲速，只能通過實際測量獲得。在材料制備過程中， 由于制作工藝過程的不可控性，會造成材料密度不均勻分布，從公式
· 可以發(fā)現，通過對材料每點聲速進行測量，可以反應出材料的密度不均勻性，從而對材料的 質量進行評價。
[0010] 進一步的，所述衰減評價材料均勻性，聲波在材料中的衰減y為：
其中，％、備、分別為與陶瓷、纖維、兩種不同孔隙對應的相關常數，f為 聲波的頻率，ft.分別為陶瓷、纖維、孔隙的含量，為兩種孔隙占 總孔隙的比例，可通過顯微觀察測得，而也為常數，所以上式可簡化為：
公式(5)表示衰減系數與孔隙之間的關系，所以可以根據材料的衰減特征來評價材料 的孔隙含量。而材料的衰減可以體現在接收波幅值的變化上，通過對材料接收波幅值的變 化成像，可以得到材料材質均勻性的分布。
[0011] 本發(fā)明的有益效果在于： (1).該方法所需參數通過實驗容易得到。
[0012] (2).該方法中所述穿透法解決了材料衰減大無法獲得底波的問題。
[0013] (3).提取材料聲學參數可以解決材料不均勻性評價的問題。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的聲速評價材料均勻性結構示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的聲衰減水浸超聲系統(tǒng)表征均勻性示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的非線性表征材料均勻性系統(tǒng)示意圖。
[0017] 其中，圖1中，1為脈