先进复合材料构件超声波微扰散射衰减机理研究

本项目以先进复合材料构件质量控制关键参数- - 孔隙率无损检测技术为目标，针对孔隙形态的随机性、孔隙尺寸与超声波波长的可比拟性，以及孔隙率与孔隙形态特征之间的相关性，采取统计学原理和方法描述孔隙引发的介质局部弹性参数的无规扰动，建立复合材料随机介质模型。研究非均匀介质弹性波波动方程的精确求解方法，建立孔隙特性与超声波散射衰减特征参量之间的关系，揭示含孔隙复合材料超声波微扰散射衰减规律，发展出准确可靠的复合材料孔隙率超声无损检测技术。本研究将克服现有含孔隙各向同性均匀介质弹性理论不能准确描述孔隙引发的介质局部弹性参数无规扰动的局限性，解决传统弹性各向同性均匀介质超声波传播理论无法解释复合材料孔隙超声波散射衰减机理的问题。研究思路和方法具有明显的创新性和科学性。研究工作具有重要工程应用价值及重要理论价值。

针对孔隙率P=0.03%~4.96%的热压成型单向碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, 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随机性进行了系统研究。然后从改善CFRP孔隙的数学描述手段入手，以实测CFRP孔隙统计数据为依托，创新性地提出并建立了二维随机孔隙模型(Random Void Model, RVM)。该模型依据随机介质理论，采取统计学原理和方法，将孔隙看作是叠加于由大尺度基体背景介质平均特性之上的小尺度随机扰动。利用随机孔隙模型能够得到与真实孔隙几何相似性良好的孔隙形貌。基于二维RVM，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，计算纵波声速以及超声波散射衰减系数，研究了孔隙形貌特征对超声传播特性的影响。研究表明，随机孔隙模型能够灵活跟踪、准确捕捉孔隙形貌变化及其对超声散射衰减的影响，利用RVM得到的衰减系数理论预测结果和实验测试结果之间的符合程度大大优于传统的确定性模型。研究结果首次证明了超声衰减系数不仅与孔隙率有关，更受到孔隙形貌的影响。由于孔隙形貌的随机性，相同孔隙率下得到的超声衰减系数具有一定的波动性。随着平均孔隙尺寸和波长的比值不同，超声散射机制也存在差异。本研究揭示了含有随机形貌孔隙的复合材料与超声波之间的作用机理，为建立复合材料孔隙率超声检测模型提供理论依据和技术支撑。