復(fù)合材料攪拌摩擦加工質(zhì)量的超聲衰減評價論文
引言
碳納米管增強鋁基( CNTs /Al) 復(fù)合材料具有高強度、高彈性模量、低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的性能特點,且以顯著的優(yōu)勢超越了傳統(tǒng)顆粒增強鋁基復(fù)合材料,逐漸在航空航天、汽車制備及尖端科技領(lǐng)域的輕量化結(jié)構(gòu)復(fù)合材料等方面獲得應(yīng)用,并不斷突破傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
現(xiàn)在各國陸續(xù)開展CNTs /Al 復(fù)合材料的相關(guān)研究并取得了一定成就,但主要集中于對其制備方法的研究,對CNTs /Al 復(fù)合材料無損檢測方面的研究還處于初步探索階段。采用攪拌摩擦加工法制備的CNTs /Al 復(fù)合材料,由于制備工藝方法的不成熟、人為操作或環(huán)境因素等影響,使CNTs /Al 復(fù)合材料表面和內(nèi)部不可避免的存在孔隙氣泡、裂紋、團聚、界面結(jié)合差等缺陷,導(dǎo)致復(fù)合材料的質(zhì)量下降,特別是碳納米管的團聚問題,是目前制備者遇到的最大難題-9。由于碳納米管( CNTs) 長徑比大,比表面能高,且CNTs 間具有很強的范德華作用力,所以很容易發(fā)生團聚或纏繞現(xiàn)象,導(dǎo)致CNTs 在金屬基體中難以均勻分散,極其嚴重的影響了其增強效果。不僅存在宏觀CNTs 團聚缺陷,由于CNTs 大小只有納米級到微米級,所以不可避免的會存在微觀CNTs 團聚缺陷。目前主要通過金相顯微法、掃描電鏡、拉伸試驗等有損檢測方法來判斷碳納米管的團聚程度,這些方法不僅費時費力,且有很大的局限性,而無損檢測方法可以快速全面無損傷的評價材料,所以隨著CNTs /Al 復(fù)合材料的應(yīng)用范圍越來越廣,對其進行無損評價是非常有必要的。
超聲檢測是無損檢測中主要檢測方法,具有靈敏度高、穿透性強、檢測速度快等優(yōu)點,被廣泛用于各種鋁基復(fù)合材料檢測中。超聲波在介質(zhì)中傳播時,受超聲波本身傳播特性和材料內(nèi)部組織的影響,存在因波束擴散、晶粒散射、介質(zhì)吸收等產(chǎn)生的超聲波衰減-14。超聲波衰減法就是通過測量超聲檢測中的重要參數(shù)—衰減系數(shù)或者通過測量試件的背面回波次數(shù)來對材料進行評價的。超聲波在CNTs /Al 復(fù)合材料中傳播時,由于碳納米管團聚改變了介質(zhì)的性質(zhì),超聲波遇到聲阻抗不同的界面從而引起散射衰減,位錯衰減等,且碳納米管本身為中空管,不同程度的碳納米管團聚會形成大小不一的孔隙,孔隙也會造成超聲波衰減,所以通過超聲波衰減法對CNTs /Al 復(fù)合材料進行無損評價是可行有效的。
本研究通過測量團聚程度不一樣的CNTs /Al復(fù)合材料的衰減系數(shù),分別從宏觀和微觀2 個角度比較分析它們之間的不同,來建立CNTs 團聚程度與衰減系數(shù)的有機聯(lián)系,從而實現(xiàn)對CNTs /Al 復(fù)合材料CNTs 團聚缺陷的表征。
1 試樣制備與測試方法
1. 1 試樣的制備
復(fù)合材料在攪拌棒的攪拌摩擦下,攪拌摩擦區(qū)的不同區(qū)域由于受到的摩擦力和熱作用不同,所以碳納米管的團聚情況也是不同的。 為攪拌摩擦次數(shù)為5 次的碳納米管增強鋁基復(fù)合材料的橫截面宏觀形貌圖,如圖所示攪拌摩擦區(qū)被分為4 個部分,A 區(qū)為母材,B 區(qū)為攪拌摩擦中心區(qū),C 區(qū)為軸肩變形區(qū),D 區(qū)為攪拌摩擦區(qū)邊界。在圖中可以看出,攪拌摩擦中心區(qū)碳納米管與鋁基混合均勻,無明顯宏觀團聚現(xiàn)象,這是因為攪拌摩擦中心區(qū)在經(jīng)過5 次攪拌摩擦后,產(chǎn)生了較多的摩擦熱,使塑化金屬的流動性增強,從而使碳納米管與鋁基混合的更均勻。但是在攪拌摩擦區(qū)邊界以及軸肩變形區(qū)碳納米管與鋁基混合非常不均勻,這是因為攪拌摩擦區(qū)邊界與軸肩變形區(qū)超出了攪拌針的作用范圍,使得碳納米管停留在攪拌摩擦區(qū)邊界。所以本研究會對復(fù)合材料板整體進行宏觀團聚缺陷檢測,但對于微觀缺陷,主要檢測混合比較均勻,沒有明顯宏觀團聚缺陷的攪拌摩擦中心區(qū)。
本研究采用的CNTs /Al 復(fù)合材料試樣由攪拌摩擦加工法制備而成,攪拌摩擦加工法是由攪拌摩擦焊技術(shù)演變而來的一種固態(tài)加工技術(shù),由此方法制備的CNTs /Al 復(fù)合材料除了CNTs 團聚缺陷,基本不存在其他缺陷-17。試樣是在攪拌摩擦加工參數(shù)全部相同的情況下,通過改變攪拌摩擦次數(shù)制備出了團聚程度不一樣的CNTs /Al復(fù)合材料。復(fù)合材料制備時采取的工藝參數(shù)為:攪拌棒傾斜角2°,旋轉(zhuǎn)速度950 r /min,試樣移動速度30 mm/min,攪拌針長度8 mm、直徑8 mm,碳納米管體積百分比為2. 1%。據(jù)文獻知,當攪拌棒的旋轉(zhuǎn)速度為950 r /min,試樣移動速度為30 mm/min 時,經(jīng)攪拌摩擦3 次后得到的復(fù)合材料,存在比較嚴重的碳納米管與鋁基混材料合不均勻現(xiàn)象,而經(jīng)過攪拌摩擦5 次的復(fù)合材料,成型良好,且已無明顯宏觀團聚現(xiàn)象,攪拌摩擦3 次和5 次以后,復(fù)合材料碳元素( 即CNTs) 分布如所示。因此本研究采用攪拌摩擦次數(shù)分別為3、4、5、6 次的試樣,編號分別為1#~4#,通過試驗分析復(fù)合材料衰減系數(shù)與均勻性的`內(nèi)在聯(lián)系,為評價CNTs /Al 復(fù)合材料加工質(zhì)量提供參考依據(jù)。
1. 2 超聲波檢測聲衰減
超聲波在介質(zhì)中傳播時,引起超聲波的衰減主要包括聲束擴散衰減,晶粒散射衰減以及介質(zhì)吸收衰減。擴散衰減主要與波陣面的形狀有關(guān),與介質(zhì)無關(guān),平面波無擴散衰減,柱面波向四周擴散,存在擴散衰減,球面波向各個方向擴散,也存在擴散衰減; 晶粒的散射衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時,由于遇到聲阻抗不同的界面而引起散亂反射衰減; 介質(zhì)吸收衰減是指介質(zhì)中的晶;ハ嗄Σ梁蜔醾鲗(dǎo)導(dǎo)致的衰減。本研究在測量衰減系數(shù)時使用的是圓盤波源輻射的縱波聲場,為球面波,但是由于該檢測所用試樣厚度只有8 mm,超聲波在試樣中傳播時,波束還未發(fā)生擴散,所以在計算衰減系數(shù)時,只考慮了晶粒散射衰減和介質(zhì)吸收衰減,未考慮擴散衰減。
測量衰減系數(shù)的方法有很多種,采用檢測儀器直接測量是最方便的,可用脈沖透射法,也可用多次底波反射法。脈沖透射法即雙探頭穿透法,一般采用水浸法來測試,利用未放入試樣和放入試樣的透射波聲壓變化來計算衰減系數(shù),適用于表面粗糙度高、衰減嚴重的試樣。其衰減系數(shù)按式( 1) 計算。
試樣的上下底面互相平行且表面光潔度高,可用多次底波反射法測量衰減系數(shù)。具體方法如下: 將直探頭放在試樣表面,使聲波在試樣上下表面來回反射,在示波屏上出現(xiàn)多次底波,其衰減系數(shù)按式( 2) 計算。
2 結(jié)果分析與討論
2. 1 宏觀評價
試驗樣品均為80 mm × 40 mm × 8 mm( 長×寬× 高) 的CNTs /Al 復(fù)合材料板,根據(jù)每個復(fù)合材料板的大小將復(fù)合材料試樣統(tǒng)一劃分成4 × 5個20 mm × 8 mm 的格子,按照上述的多次底波反射法對每一個格子進行衰減系數(shù)的測量,在相同耦合條件下每個格子測量3 次,取平均值作為該區(qū)域的衰減系數(shù)測量結(jié)果。測量系統(tǒng)由Olympus5077PR 超聲發(fā)射接收儀進行超聲波發(fā)射與接收,由Tektronix TDS2024C 示波器進行信號采集,由標稱頻率為5 MHz 的Olympus 商用PZT 直探頭為換能器。試驗時取激勵電壓為400 V,增益為6 dB,其中由于宏觀團聚缺陷處的超聲波衰減非常嚴重,其A 掃描信號圖如 所示,所以本研究取m = 1,n = 2,即取一次底波和二次底波的波高來計算衰減系數(shù)。試驗中得到多組數(shù)據(jù),對其進行MATLAB 數(shù)據(jù)分析,具體結(jié)果如所示。
通過對4 個試樣的衰減系數(shù)分布圖和特征掃描圖的對比驗證可知,衰減系數(shù)能清晰地反映CNTs /Al 復(fù)合材料中CNTs 的宏觀團聚情況,同時說明使用衰減系數(shù)來評價微小CNTs 團聚缺陷也是具有研究意義的。
2. 2 微觀評價
為了評價CNTs /Al 復(fù)合材料的微觀團聚缺陷,仍然將4 個復(fù)合材料試樣劃分成4 × 5 個20mm × 8 mm 的格子,對每個試樣的攪拌摩擦中心偏下的區(qū)域( 第三行的橫向5 格,即特征掃描成像檢測結(jié)果圖中紅色區(qū)域) 進行橫向掃查,對衰減系數(shù)進行了測量,測量結(jié)果如 所示。
從表中可以看出各試樣的衰減系數(shù)隨攪拌摩擦次數(shù)變化而變化,1 #試樣衰減系數(shù)平均值為0. 178 dB /mm,衰減系數(shù)明顯高于其他3 個試樣的,這是因為1#試樣在攪拌摩擦中心區(qū)依然存在著嚴重宏觀團聚缺陷。而2# ~ 4#試樣的衰減系數(shù)變化幅度雖然相對較小且有交叉行為,2#試樣的衰減系數(shù)平均為0. 091 dB /mm,3#試樣平均為0. 059 dB /mm,4#試樣平均為0. 025 dB /mm,但是考慮到加工和測量的誤差,可以發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果在整體趨勢上,攪拌摩擦中心區(qū)的衰減系數(shù)還是滿足α4 < α3 < α2 < α1,這表明總體上呈現(xiàn)攪拌摩擦次數(shù)的越多,復(fù)合材料越均勻,團聚缺陷越少,衰減系數(shù)越小。此外通過畫圖更直觀地反映各試樣的衰減系數(shù)變化情況,如 所示。
通過試驗測試可知,試樣中的團聚缺陷程度與超聲衰減系數(shù)間存在著較強的相關(guān)性,可以通過測量CNTs /Al 復(fù)合材料的超聲衰減系數(shù)對材料中團聚缺陷狀況進行表征,進而實現(xiàn)對整體材料加工質(zhì)量的有效評價。
3 結(jié)論
1) 利用超聲衰減系數(shù)對CNTs /Al 復(fù)合材料中CNTs 的團聚情況進行了評價方法研究,試驗發(fā)現(xiàn)隨著攪拌次數(shù)的增加,材料越均勻,CNTs 團聚缺陷越來越少,相應(yīng)衰減系數(shù)越來越小。
2) 衰減系數(shù)不僅可以有效的反映宏觀CNTs團聚缺陷情況,衰減系數(shù)從攪拌3 次的0. 5 dB /mm 到攪拌6次的0. 01dB /mm,衰減系數(shù)整體呈遞減趨勢; 同時也可以反映微觀CNTs 團聚缺陷的變化情況,在各試塊中無明顯團聚缺陷處進行檢測,衰減系數(shù)從攪拌3 次的0. 178 dB /mm 到攪拌6 次的0. 025 dB /mm,衰減系數(shù)整體同樣是呈遞減趨勢,且每攪拌一次衰減系數(shù)降低約1 倍。
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