定量无损表征固体粘接界面粘接力的分布

随着多层复合材料在国防、航空、医疗及其他民用工业中的大量应用，复合材料粘接界面粘接力的定量值直接决定了材料使用的长期性、有效性和安全性。虽然拉断方法可以得到粘接力的大小，但它是有损的而且不能得到整个粘接面粘接力的分布情况；一些物理方法可以检测界面脱粘或裂纹的存在，但是界面粘接的好坏主要取决于粘接力的定量值而不是界面粘接状态。比如界面粘接得很均匀，没有裂纹或脱粘，却有可能粘接力很小。因此，衡量界面粘接好坏的唯一指标是界面粘接力定量值。本项目开创性的提出了一种声反射法来定量无损表征粘接界面粘接力的分布。它利用声波通过粘接界面时产生的声非线性现象。这种非线性现象的强弱与界面粘接力的大小直接相关，因此可以通过测量反射波中的声非线性参值来反推出界面粘接力的定量值。同时借助声扫描显微镜系统可以完成界面粘接力定量值的扫描成像。这就为评价界面粘接强度提供了直观的检测依据。理论依据中给出了初步理论和实验。

随着多层复合材料在航空、国防、医疗及其他民用工业中的大量应用，为保证系统使用的长期性、有效性与安全性，对材料层与层之间粘接强度的检测和评估成了必不可少的重要工作。常用的物理检测方法都能检测到粘接界面存在的裂纹和缺陷，但却无法定量描述出界面粘接力的大小。众所周知，裂纹和缺陷的存在并不能说明粘接强度的强弱，只有界面粘接力的定量值才是判断粘接界面粘接强弱的唯一标准。如何定量无损的获得粘接力的定量值受到越来越多的关注，也是材料工业迫切想解决的问题。本项目开创性的提出了一种界面声非线性方法来定量无损检测粘接力。..研究发现，粘接界面的存在使得传播到界面的声波产生非线性现象，非线性参数与界面的粘接状态密切相关，使用非线性声学量来检测粘接界面粘接状态吸引了越来越多的研究者的关注。本项目所采用的是界面接触声非线性模型，这里的接触声非线性是指当粘接界面的两个边界在声波的作用下相互碰撞时，会有大量谐波产生。其中定义的接触声非线性参数是反射波中二次谐波振幅与基波振幅平方之比，它与界面粘接力直接相关，通过测量接触声非线性参数，就可以反推出界面粘接力的定量值。本课题首先理论计算了反射波中接触声非线性参数与界面粘接力的定量关系并用实验进行了验证；其次为了实现扫描，进行了聚焦换能器的设计及性能测试，并测量了选定聚焦换能器的声场分布；然后根据声场的分布情况，计算出在界面处声振幅的定量值，同时测量了聚焦换能器电声转换的频响曲线，把测量的电信号值转换成需要的声振幅值；接着搭建反射测试系统，用计算机控制三维扫描平台和非线性超声测试系统，实现了扫描测量的自动化，同时设计了实验支架固定聚焦换能器和安放实验样品；最后，用该测试系统对一些不同界面粘接状况的实验样品进行扫描，得到了它们界面粘接力定量值的分布情况，并与实际值比较基本一致。..本课题应用界面接触声非线性理论，采用反射法搭建了界面粘接力定量扫描系统，首次用无损方法得到界面粘接力的定量分布图，通过分布图可以清楚的分辨出粘接好和粘接差的区域，为材料是否可以安全使用提供了依据，从而为这方面的研究提供了一条新的思路。由于本方法采用的是超声探测法，因此它具有检测灵敏度高，可探测的厚度大，系统经济，使用安全方便等优点。而且此方法采用反射式的，有利于它在实际应用中的推广使用。