复合材料孔隙率的测定课件

复合材料孔隙率的复合材料孔隙率的测定方法定方法1.复合材料孔隙率的测定方法1.碳碳纤维复合材料是指把碳复合材料是指把碳纤维作作为增增强相，与基相，与基体材料合理地体材料合理地进行复合而制得的一种材料。行复合而制得的一种材料。其主要其主要优点在于材料的点在于材料的轻质高高强和和轻质高模的特高模的特性，性，这种特性通常用比种特性通常用比强度和比度和比刚度来表示的。度来表示的。比比强度是度是强度与密度的比度与密度的比值，比，比刚度是度是弹性模量性模量与密度的比与密度的比值。这两个比两个比值越大可以越大可以说明材料特明材料特性越性越优良。例如碳良。例如碳纤维环氧氧树脂复合材料在比脂复合材料在比强度、比度、比刚度方面明度方面明显的的优于于传统的航空材料的航空材料铝合合金，成金，成为航空工航空工业的新的新宠。碳碳纤维复合材料的复合材料的优良特性使其在航空、航天等良特性使其在航空、航天等领域得到了广泛的域得到了广泛的应用。用。2.碳纤维复合材料是指把碳纤维作为增强相，与基体材料合理地进行复碳碳纤维复合材料尽管有复合材料尽管有许多多优良的特性，然而保良的特性，然而保证材料材料质量，量，检测材料缺陷，是其得以正确、安全材料缺陷，是其得以正确、安全应用的前提。碳用的前提。碳纤复合材料的缺陷种复合材料的缺陷种类有很多，孔隙有很多，孔隙是复合材料中最是复合材料中最为常常见、最、最为重要的缺陷之一。重要的缺陷之一。完全无孔隙的复合材料是没有的。完全无孔隙的复合材料是没有的。3.碳纤维复合材料尽管有许多优良的特性，然而保证材料质量，检测材4.4.5.5.孔隙率孔隙率对复合材料性能的影响复合材料性能的影响孔隙率孔隙率对碳碳纤维复合材料性复合材料性能的影响主要体能的影响主要体现在在对复合复合材料材料层间剪切性能和弯曲性剪切性能和弯曲性能能的影响。的影响。6.孔隙率对复合材料性能的影响孔隙率对碳纤维复合材料性能的影孔隙率孔隙率对层间剪切性能的影响剪切性能的影响研究表明，每含研究表明，每含 1%的孔隙率，复合材料的的孔隙率，复合材料的层间剪切性能剪切性能下降下降 5%至至 15%不等，直到孔隙率达到不等，直到孔隙率达到4%时，这种种规律律基本保持不基本保持不变。通通过试验得出复合材料孔隙率与得出复合材料孔隙率与层间剪切剪切性能的关系，当孔隙率小于性能的关系，当孔隙率小于 0.75%时，剪切，剪切强度都在度都在 76MPa 左右，孔隙率左右，孔隙率对剪切剪切强度的影响不大，当孔隙率度的影响不大，当孔隙率大于大于1.5%时，剪切，剪切强度迅速下降，只有度迅速下降，只有 60%的保持率。的保持率。当孔隙率当孔隙率较低低时(尤其低于尤其低于 4%时)，剪切，剪切强度随孔隙率增度随孔隙率增大而下降得比大而下降得比较快，当孔隙率大于快，当孔隙率大于 5%以后，以后，强度度损失己失己经过大，并随孔隙率的增大下降得比大，并随孔隙率的增大下降得比较缓慢或慢或稳定。定。孔隙率孔隙率0%增大到增大到 1%时，强度下降度下降约 9%，当孔隙率，当孔隙率增大到增大到 4%时，强度己度己经下降下降32%.孔隙率在孔隙率在 0%-4%，每，每增增1%，剪切，剪切强度平均下降度平均下降约 8%，基本成，基本成线性关系。性关系。7.孔隙率对层间剪切性能的影响7.孔隙率对弯曲性能的影响 随着孔隙率的增加，弯曲随着孔隙率的增加，弯曲强度逐度逐渐下降，在孔下降，在孔隙隙率小率小1%1%时，弯曲性能相差不大，弯曲，弯曲性能相差不大，弯曲强度的保持度的保持率率为 90%90%左右，当孔隙率大于左右，当孔隙率大于 3%3%时，弯曲，弯曲强度的下度的下降降趋势趋于平于平缓，弯曲，弯曲强度保持率大度保持率大约只有只有 75%75%。当孔隙率超当孔隙率超过一定的数一定的数值时，复合材料就会由于，复合材料就会由于强度的急度的急剧下降而失效下降而失效“另外，复合材料的其它性能。另外，复合材料的其它性能。如如纵、横向拉伸、横向拉伸强度、弯曲度、弯曲强度、模量、抗度、模量、抗压强度、度、疲疲劳极限等均受到孔隙率的影响。极限等均受到孔隙率的影响。8.孔隙率对弯曲性能的影响 随着孔隙率的增加，弯曲强孔隙的形态对复合材料力学性能的影响 多数研究者在研究孔隙多数研究者在研究孔隙问题时都只是考都只是考虑孔隙率，孔隙率，这种种方法方法虽然然简单，但却忽略了孔隙的形状、尺寸和分布，但却忽略了孔隙的形状、尺寸和分布对复复合材料力学性能的影响合材料力学性能的影响 近年来，孔隙的形状、尺寸等越近年来，孔隙的形状、尺寸等越来越受到人来越受到人们的重的重视 研究了孔隙的形状、尺寸和分布研究了孔隙的形状、尺寸和分布对其其力学性能的影响，研究力学性能的影响，研究发现，当孔隙的，当孔隙的纵横比从横比从 1 1增加到增加到 4 4 时，复合材料的，复合材料的层间剪切剪切强度降低了度降低了20%20%。9.孔隙的形态对复合材料力学性能的影响 多数研究者在研究复合材料在制造复合材料在制造过程中容易程中容易产生的生的缺陷可以分缺陷可以分为宏宏观缺陷和微缺陷和微观缺陷缺陷两大两大类。就微。就微观孔隙缺陷而言，其孔隙缺陷而言，其显著的特点是缺陷著的特点是缺陷细微，甚至小到微，甚至小到微米微米级，分布在，分布在树脂或脂或树脂基脂基纤维界面之界面之间，呈明，呈明显体体积分布。不分布。不仅宏宏观缺陷的存在影响复合材料的性缺陷的存在影响复合材料的性能，微能，微观缺陷的存在也会直接影响缺陷的存在也会直接影响复合材料力学性能和可靠性。复合材料力学性能和可靠性。如孔隙，如孔隙，对于于动态的力学性能来的力学性能来说就是一个就是一个应力集中点，在反复力集中点，在反复载荷荷下会成下会成为一个疲一个疲劳源，源，对于静于静态的的力学性能来力学性能来说，孔隙会造成材料内，孔隙会造成材料内部疏松并使力学性能下降。部疏松并使力学性能下降。10.复合材料在制造过程中容易产生的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷产生孔隙的原因生孔隙的原因 孔隙是复合材料成型孔隙是复合材料成型过程中形成的空洞程中形成的空洞,是复合材料的是复合材料的主要缺陷之一。一般分主要缺陷之一。一般分为:延延单纤孔隙孔隙(包括包括纤维内孔隙内孔隙)和和层板板间孔隙。孔隙率小于孔隙。孔隙率小于1.5%1.5%时,孔隙孔隙为球形球形:孔隙率大孔隙率大于于1.5%1.5%时,一般一般为柱形柱形,孔隙与孔隙与纤维轴向平行。向平行。产生孔隙的生孔隙的原因有原因有:树脂与脂与纤维浸浸润性差性差,空气空气难以以挤压出去出去树脂中的低分子脂中的低分子组分在加工分在加工过程中的程中的挥发复合材料固化复合材料固化过程中程中树脂的化学反脂的化学反应中也存在中也存在挥发物物成型工成型工艺不合理不合理孔隙含量和分布与孔隙含量和分布与树脂的脂的类型、沾度、型、沾度、组分、固化温度、分、固化温度、压力及力及时间有关。有关。11.产生孔隙的原因 孔隙是复合材料成型过程中形成的空洞,孔隙率的定孔隙率的定义评价孔隙含量的定量指价孔隙含量的定量指标是孔隙率。孔隙率有两种定是孔隙率。孔隙率有两种定义方法方法.面面积孔隙率孔隙率指指单位面位面积所含孔隙的面所含孔隙的面积的百分比的百分比.体体积孔隙率孔隙率体体积孔隙率是指孔隙率是指单位体位体积所含孔隙的体所含孔隙的体积百分比百分比 具体具体应根据工程根据工程实践中的践中的检测技技术而有所不同而有所不同 通常指通常指的孔隙率的孔隙率为体体积孔隙率孔隙率 根据根据统计学原理，学原理，在某一体在某一体积内，内，当面当面积孔隙率孔隙率统计的次数达到一定数量后，所有面的次数达到一定数量后，所有面积孔隙孔隙率之和的平均率之和的平均值可近似可近似为体体积孔隙率。孔隙率。12.孔隙率的定义评价孔隙含量的定量指标是孔隙率。孔隙率有两种定义如何如何测定孔隙率？定孔隙率？13.如何测定孔隙率？13.孔隙率的孔隙率的检测方法方法鉴于孔隙是于孔隙是评价复合材料的重要指价复合材料的重要指标，因此人，因此人们对孔隙率的孔隙率的检测总结了大量的了大量的测量方法，量方法，总体来体来说复合材料孔隙率的复合材料孔隙率的检测方法分方法分为两两类:.破坏性破坏性检测法法主要包括主要包括密度密度测量法、量法、吸水法、吸水法、显微照相法、微照相法、酸溶解法酸溶解法.无无损检测法法包括包括超声波超声波检测法、射法、射线检测法、法、热红外成像外成像方法方法等，等，现就其中几个比就其中几个比较常用的方法常用的方法进行介行介绍14.孔隙率的检测方法鉴于孔隙是评价复合材料的重要指标，因此人14密度密度测量法量法15.密度测量法15.16.16.由公式可知，由公式可知，该法得到的孔隙率是所法得到的孔隙率是所测材料的材料的体体积孔隙率，此方法的前提条件是孔隙率，此方法的前提条件是树脂脂浇铸体体必必须没有气泡没有气泡，并且，并且测定定浇铸体密度体密度时固化温固化温度、度、时间、压力等参数力等参数应与复合材料一致。与复合材料一致。这种方法种方法测得的孔隙率数得的孔隙率数值的精确度的精确度较低，一低，一般般为 0.5%0.5%，这限制了低孔隙率情况下的限制了低孔隙率情况下的应用。用。该法相法相对来来说操作操作简单，容易，容易实现，不需要太，不需要太复复杂仪器，因而得到广泛器，因而得到广泛应用用;缺点是无法得缺点是无法得知孔隙尺寸、形状和分布，且一般精度不是很知孔隙尺寸、形状和分布，且一般精度不是很高，可以与其它方法配合使用。高，可以与其它方法配合使用。17.由公式可知，该法得到的孔隙率是所测材料的体积孔隙率，此方法的本方法需要通本方法需要通过试验测得得组分分树脂。复合材料在水中脂。复合材料在水中 300h 后吸收水的后吸收水的质量以及复合材料量以及复合材料中中树脂脂质量含量，由公式可求量含量，由公式可求得体得体积孔隙率孔隙率为:该方法得到的孔隙率也是方法得到的孔隙率也是复合材料的体复合材料的体积孔隙率，孔隙率，由于其它缺陷如裂由于其它缺陷如裂纹、分、分层等的存在等的存在对计算算结果果的影响，的影响，该方法方法检测精度精度与密度与密度测量法差不多，但量法差不多，但是操作是操作过程更程更为繁繁琐、耗、耗时，故其，故其应用效果不及密用效果不及密度法广泛。度法广泛。吸水吸水测量量法法18.本方法需要通过试验测得组分树脂。复合材料在水中 300h 后显微照相法该方法是一种常用的方法是一种常用的对孔隙率做孔隙率做定量分析的方法。使用前先在所定量分析的方法。使用前先在所测试件上件上选取几个截面，并取几个截面，并进行行抛光抛光处理，然后放在配有一定数理，然后放在配有一定数量方格参考物的量方格参考物的显微微镜下下观察察试件的抛光截面，最后件的抛光截面，最后对落在方格落在方格交叉点上的孔隙交叉点上的孔隙进行行计数。如数。如图所示，得到面所示，得到面积孔隙率公式孔隙率公式:19.显微照相法该方法是一种常用的对孔隙率做定量分析的方法。使采用采用这种方法可以看出孔隙的种方法可以看出孔隙的种种类、形状、大小、形状、大小及分布及分布。是目前孔隙率。是目前孔隙率检测方法中精度最高的，但方法中精度最高的，但由于其由于其检测的是的是局部截面的孔隙率局部截面的孔隙率，只能按，只能按统计方方法来求出法来求出试件整体的孔隙率件整体的孔隙率，因此要，因此要获得高的精确得高的精确度，必度，必须对大量截面大量截面进行行检测。因此其精度只比其。因此其精度只比其它方法相它方法相对来来说略高一些。略高一些。20.采用这种方法可以看出孔隙的种类、形状、大小20.THE END!21.THE END!21.22.22.23.23.24.24.25.25.26.26.