復合材料孔隙率的測定

1、復合材料孔隙率的測定方法復合材料孔隙率的測定方法碳纖維復合材料是指把碳纖維作為增強相，與基碳纖維復合材料是指把碳纖維作為增強相，與基體材料合理地進行復合而制得的一種材料。體材料合理地進行復合而制得的一種材料。其主要優(yōu)點在于材料的輕質(zhì)高強和輕質(zhì)高模的特其主要優(yōu)點在于材料的輕質(zhì)高強和輕質(zhì)高模的特性，這種特性通常用比強度和比剛度來表示的。性，這種特性通常用比強度和比剛度來表示的。比強度是強度與密度的比值，比剛度是彈性模量比強度是強度與密度的比值，比剛度是彈性模量與密度的比值。這兩個比值越大可以說明材料特與密度的比值。這兩個比值越大可以說明材料特性越優(yōu)良。例如碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料在比強性越優(yōu)良。例如

2、碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料在比強度、比剛度方面明顯的優(yōu)于傳統(tǒng)的航空材料鋁合度、比剛度方面明顯的優(yōu)于傳統(tǒng)的航空材料鋁合金，成為航空工業(yè)的新寵。金，成為航空工業(yè)的新寵。碳纖維復合材料的優(yōu)良特性使其在航空、航天等碳纖維復合材料的優(yōu)良特性使其在航空、航天等領域得到了廣泛的應用。領域得到了廣泛的應用。碳纖維復合材料盡管有許多優(yōu)良的特性，然而保碳纖維復合材料盡管有許多優(yōu)良的特性，然而保證材料質(zhì)量，檢測材料缺陷，是其得以正確、安證材料質(zhì)量，檢測材料缺陷，是其得以正確、安全應用的前提。碳纖復合材料的缺陷種類有很多，全應用的前提。碳纖復合材料的缺陷種類有很多，孔隙是復合材料中最為常見、最為重要的缺陷之孔隙是復合材料

3、中最為常見、最為重要的缺陷之一。一。完全無孔隙的復合材料是沒有的。完全無孔隙的復合材料是沒有的?？紫堵蕦秃喜牧闲阅艿挠绊懣紫堵蕦秃喜牧闲阅艿挠绊懣紫堵蕦μ祭w維復合材料性孔隙率對碳纖維復合材料性能的影響主要體現(xiàn)在對復合能的影響主要體現(xiàn)在對復合材料材料層間剪切性能和彎曲性層間剪切性能和彎曲性能能的影響。的影響?？紫堵蕦娱g剪切性能的影響孔隙率對層間剪切性能的影響研究表明，每含研究表明，每含 1%的孔隙率，復合材料的層間剪切性能的孔隙率，復合材料的層間剪切性能下降下降 5%至至 15% 不等，直到孔隙率達到不等，直到孔隙率達到4%時，這種規(guī)律時，這種規(guī)律基本保持不變?；颈３植蛔儭Ｍㄟ^試驗得出復

4、合材料孔隙率與層間剪切通過試驗得出復合材料孔隙率與層間剪切性能的關系，當孔隙率小于性能的關系，當孔隙率小于 0.75% 時，剪切強度都在時，剪切強度都在 76MPa 左右，孔隙率對剪切強度的影響不大，當孔隙率左右，孔隙率對剪切強度的影響不大，當孔隙率大于大于1.5% 時，剪切強度迅速下降，只有時，剪切強度迅速下降，只有 60%的保持率。的保持率。當孔隙率較低時當孔隙率較低時( 尤其低于尤其低于 4%時時) ，剪切強度隨孔隙率增，剪切強度隨孔隙率增大而下降得比較快，當孔隙率大于大而下降得比較快，當孔隙率大于 5%以后，強度損失己以后，強度損失己經(jīng)過大，并隨孔隙率的增大下降得比較緩慢或穩(wěn)定。經(jīng)過大

5、，并隨孔隙率的增大下降得比較緩慢或穩(wěn)定。 孔隙率孔隙率0% 增大到增大到 1%時，強度下降約時，強度下降約 9%，當孔隙率，當孔隙率增大到增大到 4% 時，強度己經(jīng)下降時，強度己經(jīng)下降32%.孔隙率在孔隙率在 0%-4%，每，每增增1%，剪切強度平均下降約，剪切強度平均下降約 8%，基本成線性關系。，基本成線性關系。孔隙率對彎曲性能的影響 隨著孔隙率的增加，彎曲強度逐漸下降，在孔隙隨著孔隙率的增加，彎曲強度逐漸下降，在孔隙率小率小1%時，彎曲性能相差不大，彎曲強度的保持時，彎曲性能相差不大，彎曲強度的保持率為率為 90%左右，當孔隙率大于左右，當孔隙率大于 3%時，彎曲強度的下時，彎曲強度的下

6、降趨勢趨于平緩，彎曲強度保持率大約只有降趨勢趨于平緩，彎曲強度保持率大約只有 75%。 當孔隙率超過一定的數(shù)值時，復合材料就會由于強當孔隙率超過一定的數(shù)值時，復合材料就會由于強度的急劇下降而失效度的急劇下降而失效“另外，復合材料的其它性能。另外，復合材料的其它性能。如縱、橫向拉伸強度、彎曲強度、模量、抗壓強度、如縱、橫向拉伸強度、彎曲強度、模量、抗壓強度、疲勞極限等均受到孔隙率的影響。疲勞極限等均受到孔隙率的影響?？紫兜男螒B(tài)對復合材料力學性能的影響 多數(shù)研究者在研究孔隙問題時都只是考慮孔隙率，這種方多數(shù)研究者在研究孔隙問題時都只是考慮孔隙率，這種方法雖然簡單，但卻忽略了孔隙的形狀、尺寸和分布對

7、復合法雖然簡單，但卻忽略了孔隙的形狀、尺寸和分布對復合材料力學性能的影響材料力學性能的影響近年來，孔隙的形狀、尺寸等越來近年來，孔隙的形狀、尺寸等越來越受到人們的重視越受到人們的重視 研究了孔隙的形狀、尺寸和分布對其研究了孔隙的形狀、尺寸和分布對其力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當孔隙的縱橫比從力學性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當孔隙的縱橫比從 1增加到增加到 4 時，復合材料的層間剪切強度降低了時，復合材料的層間剪切強度降低了20%。復合材料在制造過程中容易產(chǎn)生的復合材料在制造過程中容易產(chǎn)生的缺陷可以分為宏觀缺陷和微觀缺陷缺陷可以分為宏觀缺陷和微觀缺陷兩大類。就微觀孔隙缺陷而言，其兩大類。就微觀孔隙缺陷而

8、言，其顯著的特點是缺陷細微，甚至小到顯著的特點是缺陷細微，甚至小到微米級，分布在樹脂或樹脂基纖維微米級，分布在樹脂或樹脂基纖維界面之間，呈明顯體積分布。不僅界面之間，呈明顯體積分布。不僅宏觀缺陷的存在影響復合材料的性宏觀缺陷的存在影響復合材料的性能，微觀缺陷的存在也會直接影響能，微觀缺陷的存在也會直接影響復合材料力學性能和可靠性。復合材料力學性能和可靠性。如孔隙，對于動態(tài)的力學性能來說如孔隙，對于動態(tài)的力學性能來說就是一個應力集中點，在反復載荷就是一個應力集中點，在反復載荷下會成為一個疲勞源，對于靜態(tài)的下會成為一個疲勞源，對于靜態(tài)的力學性能來說，孔隙會造成材料內(nèi)力學性能來說，孔隙會造成材料內(nèi)部

9、疏松并使力學性能下降。部疏松并使力學性能下降。產(chǎn)生孔隙的原因產(chǎn)生孔隙的原因 孔隙是復合材料成型過程中形成的空洞孔隙是復合材料成型過程中形成的空洞,是復合材料的主是復合材料的主要缺陷之一。一般分為要缺陷之一。一般分為:延單纖孔隙延單纖孔隙(包括纖維內(nèi)孔隙包括纖維內(nèi)孔隙)和層和層板間孔隙?？紫堵市∮诎彘g孔隙。孔隙率小于1.5%時時,孔隙為球形孔隙為球形:孔隙率大于孔隙率大于1.5%時時,一般為柱形一般為柱形,孔隙與纖維軸向平行。產(chǎn)生孔隙的原孔隙與纖維軸向平行。產(chǎn)生孔隙的原因有因有:樹脂與纖維浸潤性差樹脂與纖維浸潤性差,空氣難以擠壓出去空氣難以擠壓出去樹脂中的低分子組分在加工過程中的揮發(fā)樹脂中的低分

10、子組分在加工過程中的揮發(fā)復合材料固化過程中樹脂的化學反應中也存在揮發(fā)物復合材料固化過程中樹脂的化學反應中也存在揮發(fā)物成型工藝不合理成型工藝不合理孔隙含量和分布與樹脂的類型、沾度、組分、固化溫度、孔隙含量和分布與樹脂的類型、沾度、組分、固化溫度、壓力及時間有關。壓力及時間有關。孔隙率的定義孔隙率的定義評價孔隙含量的定量指標是孔隙率?？紫堵视袃煞N定義方法評價孔隙含量的定量指標是孔隙率。孔隙率有兩種定義方法.面積孔隙率面積孔隙率指單位面積所含孔隙的面積的百分比指單位面積所含孔隙的面積的百分比.體積孔隙率體積孔隙率體積孔隙率是指單位體積所含孔隙的體積百分比體積孔隙率是指單位體積所含孔隙的體積百分比 具

11、體應根據(jù)工程實踐中的檢測技術而有所不同具體應根據(jù)工程實踐中的檢測技術而有所不同通常指的通常指的孔隙率為體積孔隙率孔隙率為體積孔隙率根據(jù)統(tǒng)計學原理，根據(jù)統(tǒng)計學原理，在某一體積內(nèi)，在某一體積內(nèi)，當面積孔隙率統(tǒng)計的次數(shù)達到一定數(shù)量后，所有面積孔隙當面積孔隙率統(tǒng)計的次數(shù)達到一定數(shù)量后，所有面積孔隙率之和的平均值可近似為體積孔隙率。率之和的平均值可近似為體積孔隙率。如何測定孔隙率？如何測定孔隙率？孔隙率的檢測方法孔隙率的檢測方法鑒于孔隙是評價復合材料的重要指標，因此人鑒于孔隙是評價復合材料的重要指標，因此人們對孔隙率的檢測總結(jié)了大量的測量方法，總體來們對孔隙率的檢測總結(jié)了大量的測量方法，總體來說復合材料

12、孔隙率的檢測方法分為兩類說復合材料孔隙率的檢測方法分為兩類: .破壞性檢測法破壞性檢測法主要包括主要包括密度測量法、吸水法、顯微照相法密度測量法、吸水法、顯微照相法、酸溶解法、酸溶解法.無損檢測法無損檢測法包括包括超聲波檢測法、射線檢測法、熱紅外成像超聲波檢測法、射線檢測法、熱紅外成像方法方法等，現(xiàn)就其中幾個比較常用的方法進行介紹等，現(xiàn)就其中幾個比較常用的方法進行介紹密度測量法密度測量法由公式可知，該法得到的孔隙率是所測材料的由公式可知，該法得到的孔隙率是所測材料的體積孔隙率，此方法的前提條件是體積孔隙率，此方法的前提條件是樹脂澆鑄體樹脂澆鑄體必須沒有氣泡必須沒有氣泡，并且測定澆鑄體密度時固化

13、溫，并且測定澆鑄體密度時固化溫度、時間、壓力等參數(shù)應與復合材料一致。度、時間、壓力等參數(shù)應與復合材料一致。這種方法測得的孔隙率數(shù)值的精確度較低，一這種方法測得的孔隙率數(shù)值的精確度較低，一般為般為 0.5%0.5%，這限制了低孔隙率情況下的應，這限制了低孔隙率情況下的應用。該法相對來說操作簡單，容易實現(xiàn)，不需用。該法相對來說操作簡單，容易實現(xiàn)，不需要太復雜儀器，因而得到廣泛應用要太復雜儀器，因而得到廣泛應用; ; 缺點是無缺點是無法得知孔隙尺寸、形狀和分布，且一般精度不法得知孔隙尺寸、形狀和分布，且一般精度不是很高，可以與其它方法配合使用。是很高，可以與其它方法配合使用。本方法需要通過試驗測得組

14、分本方法需要通過試驗測得組分樹脂。復合材料在水中樹脂。復合材料在水中 300h 后吸收水的質(zhì)量以及復合材料后吸收水的質(zhì)量以及復合材料中樹脂質(zhì)量含量，由公式可求中樹脂質(zhì)量含量，由公式可求得體積孔隙率為得體積孔隙率為:該方法得到的孔隙率也是該方法得到的孔隙率也是復合材料的體積孔隙率，復合材料的體積孔隙率，由于其它缺陷如裂紋、分由于其它缺陷如裂紋、分層等的存在對計算結(jié)果層等的存在對計算結(jié)果的影響，該方法檢測精度的影響，該方法檢測精度與密度測量法差不多，但與密度測量法差不多，但是操作過程更為繁瑣、耗是操作過程更為繁瑣、耗時，故其應用效果不及密時，故其應用效果不及密度法廣泛。度法廣泛。吸水測量吸水測量法法顯微照相法該方法是一種常用的對孔隙率做該方法是一種常用的對孔隙率做定量分析的方法。使用前先在所定量分析的方法。使用前先在所測試件上選取幾個截面，并進行測試件上選取幾個截面，并進行拋光處理，然后放在配有一定數(shù)拋光處理，然后放在配有一定數(shù)量方格參考物的顯微鏡下觀察試量方格參考物的顯微鏡下觀察試件的拋光截面，最后對落在方格件的拋光截面，最后對落在方格交叉點上的孔隙進行計數(shù)。如圖交叉點上的孔隙進行計數(shù)。如圖所示，得到面積孔隙率公式所示，得到面積孔隙率公式:采用這種方法可以看出孔隙的采用這種