基于热声多物理成像技术的碳纤维增强复合材料损伤探测研究

The fiber-reinforced composite materials are increasingly used in aerospace, naval and automotive industries, which requires non-destructive testing (NdT) methods with high resolution and contrast for detecting defects and faults in the parts made from composite materials. Different difficulties exist in traditional NdT methods, e.g. low resolution and contrast etc. This project will combine the ultrasound and electromagnetic testing methods via thermo-acoustic phenomenon to provide an NdT method with both high resolution and contrast for carbon fiber-reinforced composites. The main research contents include: 1) The research on mechanism analysis of and the numerical methods development for the phenomenon of illuminating the carbon fiber-reinforced composite materials by microwave to produce ultrasonic wave; 2) Based on the principle of time-reversal method, develop the non-destructive testing method for carbon fiber reinforced composites; 3) The research on stability and accuracy of the developed thermo-acoustic tomography method for carbon fiber-reinforced composites via using the practically measured ultrasonic signal. The successful accomplishment of this project is of significance on improving the NdT of fiber-reinforced composites and the national NdT technique level of testing the parts made from fiber-reinforced composites.

纤维增强复合材料在飞行器和交通设备等制造工业中越来越广泛的应用对该材料的探伤技术提出了高分辨率、高对比度的要求。将传统探伤技术应用于该复杂的材料存在各自的技术瓶颈，如：分辨率不高、对比度不足等。本课题拟基于热声多物理现象，结合超声和电磁波探伤技术各自的优点，突破传统探伤技术的瓶颈，建立兼具高分辨率和高对比度的碳纤维增强复合材料探伤技术。主要研究内容：1）研究电磁波照射碳纤维增强复合材料激发热声现象产生超声波的理论描述和分析方法，建立准确的理论描述和分析模型；2）基于时间反演算法，构建适用于碳纤维增强复合材料的热声多物理探伤技术，研究该技术对不同损伤的探测准确度，探测损伤的形状、尺寸和位置等；3）基于实测数据，研究本课题所构建的碳纤维增强复合材料探伤技术的稳定性。该项目的完成将对完善碳纤维增强复合材料的探伤技术以及提高我国碳纤维增强复合材料部件的质量检测技术水平具有重要的科学和实际应用意义。

纤维增强复合材料在飞行器和交通设备等制造工业（尤其是飞机制造业）中越来越广泛的应用对该材料的探伤技术提出了高分辨率、高对比度和普遍适用的要求。将传统的探伤技术应用于该种复杂的材料存在各自的技术困难和瓶颈，如：分辨率不高、对比度不足等。此项研究主要通过微波脉冲成像和热致超声成像，构建兼具高分辨和高对比度的多机制混合成像技术，用于检测具有任意结构的纤维增强复合材料。首先，该项研究工作基于时域有限差分算法构建多尺度纤维增强复合材料吸波特性仿真模型，开展多层纤维增强复合材料微波脉冲吸收特性研究，分析纤维增强复合材料的结构和电磁参数对材料吸波特性的影响。其次，基于时域伪谱法构建纤维增强复合材料超声散射特性仿真模型，开展超声在纤维增强复合材料内部传输特性研究，根据材料的比热和热胀冷缩特性，对微波脉冲所产生的超声强度、超声在纤维增强复合材料内部的传输特性等方面开展研究。最后，基于时间反演算法和微波所激发的超声信号，对纤维增强复合材料内部的损伤进行探测成像。研究经过纤维增强复合材料内部复杂结构散射所得到的超声信号用于损伤探测的准确性，探究纤维增强复合材料超声强散射特性对损伤探测成像的影响。相关研究工作为热声成像技术应用于纤维增强复合材料的损伤探测奠定理论基础。