层状碳纤维复合材料典型缺陷的电磁反射机理及微波无损检测研究

Composite material is widely used, because it has the highest strength and modulus in the existing structural materials. Composite material was used in the fields which have strict requirements for density, stiffness, weight, fatigue characteristics and the fields which require high temperature, high chemical stability. When the composite material is produced, the process make it impossible to avoid defects such as gap, inclusion, etc,because the process is unstable. Besides, when composite material was connected with the other materials, a large number of holes need to be processed, which is likely to make composite material delamination. Herefore, it is necessary to detect composite material in order to ensure its quality. By studying the reflection theory, this project will put forward a kind of high frequency, broadband, high resolution testing method using microwave nondestructive evaluation (microwave NDE), this method is suitable to detect composite material. The four research contents of this project are as follows: the transmission characteristics of microwave signals in carbon fiber composite material, the effect mechanism of composite material performanve parameters to microwave signal, the optimization design of microwave testing parameters and method, the establishment of the experiment system to detect composite material using microwave NDE.This is the basis of the carbon fiber composite material quality evaluation.

复合材料，在现有结构材料中具有最高的比强度和比模量，因此被广泛应用在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域和要求高温、化学稳定性高的场合。复合材料在生产过程中工艺不稳定，空隙、夹杂等缺陷无法完全避免；在复合材料的零件与其他零部件装配连接时，不可避免的要进行大量孔加工，而在孔的加工中容易造成复合材料的脱粘等缺陷。因此对复合材料进行损伤检测和实时监测显得尤为重要。本项目提出一种高频、宽带、高分辨率，适合碳纤维复合材料检测的微波无损检测方法，研究利用微波反射理论来表征复合材料的脱粘、夹杂等特性。重点研究微波信号在碳纤维复合材料中的传播特性；碳纤维复合材料各性能参数对微波信号的影响机理；微波检测参数及方法的优化设计；微波检测碳纤维复合材料的实验系统建立等四方面的内容。为碳纤维复合材料质量评估奠定基础。

碳纤维复合材料在其应用领域起着重要的作用，但由于其制备工艺复杂，工作环境恶劣，因此急需一种合适的无损检测技术对碳纤维复合材料的质量和健康状况进行评价。本项目提出了一种高频、宽带、高分辨率，适合碳纤维复合材料综合检测的微波无损检测方法。.通过理论研究、模型建立、实验平台的搭建以及信号分析等方面的研究完成了对层状碳纤维复合材料典型缺陷的电磁反射机理及微波无损检测的研究。理论研究包括信号在复合材料中的传输特性研究、检测参数的优化设计研究和待检参数与表征参数对应关系的建立。在理论研究的基础上优化检测方案，建立微波无损检测的理论模型，进行仿真计算，确定表征参数与待检参数。实验平台的搭建主要包括扫描台架和检测探头的设计与研制、检测方法的最终确立。信号分析包括信号的提取与数据的处理，通过信号分析结果反馈实验检测方法，以期达到最优的检测效果。最终完成对碳纤维复合材料中间层纤维方向、纤维变形缺陷等的微波无损检测。.对三层复合材料中间层的纤维方向以及中间层纤维的变形缺陷进行了微波无损检测研究，检测中用反射法中的反射系数的变化来表征纤维方向的变化，反射系数具体包括反射系数的幅值和相位。通过研究得出以下结论：.(1)微波反射系数幅值和相位都可以表征多层碳纤维复合材料中中间层的纤维方向的区别。.(2)微波反射系数幅值和相位可以表征中间层碳纤维变形的缺陷。.(3)利用微波反射法对碳纤维复合材料中纤维方向和变形缺陷进行检测时，为了检测不同范围的纤维方向需要对检测探头的位置进行优化设计；可以改变试样终端的反射情况，以提高检测的灵敏度。.本项目为研究碳纤维复合材料的制造工艺、分析其失效原因，检测和评定碳纤维复合材料的结构奠定了必要的基础。