Investigatia experimentala asupra porozitatii ibrei de carbon compozita utilizand coeficientul de atenuare ultrasonica

INVESTIGATIA EXPERIMENTALA ASUPRA POROZITATII IBREI DE CARBON COMPOZITA UTILIZAND COEFICIENTUL DE ATENUARE ULTRASONICA   

Lucrarea urmatoare investigheaza experimental legatura dintre coeficientul de atenuare ultrasonic si golurile compusilor cu porozitatea 0 %-4,96%a monstrelor compozitelor din fibra de carbon (CFRC). Ecoul dat in urma imersiei undei ultrasonore se reflecta pe partea inferioara neteda cu 5 MHz este adoptat pentru a determina coeficientul de atenuare , iar microscopul metalografic este utilizat pentru a determina distructibilitatea porozitatii. Datele prezente au fost comparate cu rezultatele cunoscute a unor teste si formulele brute (cunoscute). Puterea scazuta dintre coeficientul de atenuare si porozitate, fenomenul de porozitate critica si efectul morfologiei vidului la atenuare ultrasonica au fost discutate.

Aceasta lucrare nu numai ca furnizeaza dovada experimentala in elucidarea mecanismului atenuarii ultrasonice a porilor, dar de asemeni mai dovedeste din pacate ca coeficientul de atenuare poate fi folosit in mod distrugator asupra golurilor compozitului.

Cuvinte cheie : Fibra compozita de carbon; porozitate; test ultrasonic; coefficient de atenuare .

1. INTRODUCERE

Marerialele (CFRC) sunt folosite din ce in ce mai mult in industria avioanelor dandu-le rezistenta la inaltime si greutate relative scazuta . Nivelele scazute ale porozitatii sunt esentiale pentru asigurarea performantei structurii (CFRC [1-3]. Lucrarile efective cu ultrasunete la determinarea golurilor din compozite au fost in corelare cu porozitatea si coeficientul de atenuare [4-11], viteza [12-13] sau aterizarea [14-15], restrictive.

Au fost facute mai multe incercari pentru a imbunatatii analiza teoretica si tehnicile experimentale.

Legatura teoretica dintre porozitate si coeficientul de atenuare este usor de inteles, iar dependenta celor trei parametrii a fost observata experimental.Oricum, mecanismele de atenuare a porilor nu sunt clare inca in principiile fiziciisi nu a primit acceptul teoriei universale iar rezultatul testului nu a fost stabilit. In special pentru o porozitate apropiata de 2,5%, valoarea maxima acceptata de CFRC avansata in aplicatiile aerospatiale, investigatiile experimentale sunt foarte limitate , ceea ce i-a impiedicat pe oameni in a intelege usor mecanismul de atenuare a golurilor .De exemplu , conform raportului lui Stone si Clarkes [4], o formula bruta cu doua linii a fost stabilita cu o porozitate critica 1,5%.O presupunere timpurie al lui Marlin sugereaza ca golurile sunt sferice sau sub forma de disc, iar dimensiunile lor sunt acelasi si sunt distribuite simetric . Cercetarile mai tarzii ale lui Hale si Ashton [6] au imbunatatit madelul lui Martin presupunand ca golurile sferice sau sub forma de disc au reguli diferite de distribuire . Oricum, cand au verificat rezultatele experimenale folosin tehnici microscopice, limitele monstrelor au fost prevazute. Desi se pare ca informatiile asupra corozitati au acoperit domeniul de la 1% pana la 5%,"punctual mort"chiar si"suprafata oarba" de atunci informatiile asupra porozitati au fost mai mult imprastiate (raspandite), ceea ce a slabit eficacitatea de verificare a tehnicilor ultrasonice .

Lucrarea prezenta cu ajutarul inspectiei ultrasonice cu microscopul metalo grafic sunt investigate 17 mostre de composite netede cu porozitatea 0,03%-4,96%.Este in special important de retinut ca, dintre ele, porozitatea a 11 monstre este mai mica de 2,5%. Bazinduse pe tehnicile ecoului dat de imersia ultrasunetelor in urma reflexiei in partea inferioara , coeficientul de atenuare este determinat, iar formula bruta dintre coeficientul de atenuare si porozitate este stabilita in acord cu rezultatele microscopice. S-a observat ca, acolo este un fenomem de porozitate critica. In acord cu porozitatea scazuta sau ridicata fata de valoarea critica, regulile coeficientului de atenuare ca o functie de porozitate sunt variate. Acest fenomen probabil inseamna ca mecanismul de atenuare a porozitatii prin scanare relateaza variatia porozitatii. In plus , unele pareri sunt propuse ulterior despre puterea de intelegere a ultrasunetelor in porozitatea compozitelor.

2. EXPERIMENT

2.1. PROBE

O serie de 16 matrite de presare a straturilor din fibra de carbon unidirectionala (marita) de rasina epoxidica plate au fost investigate. Mostrele au fost preparate prin modelare cu mana. Grosimea pastei pregatite cu mana este de 2±0,05% mm, aria mai mare de 200x250 mm², continutul de fibra este 69±3%. Intai suprafetele de testare au fost preselectate in concordanta cu amplitudinile ecourilor ultrasunetelor, iar apoi scanate folosind echipamentul de scanare ultrasonica C pentru a alege zona cu o distribuire uniforma a porilor.

2.2. METODE ULTRASONORE SI EXPERIMENTALE

Coeficientul de atenuare este masurat folosind ecoul obtinutin urma tehnicilor de imersie a ultrasunetelor in partea inferioara, dupa cum arata Figura 1.,servind drept o suprafata neteda plata, o placa de sticla este plasata pe fundul bazinului. Cu aceasta metoda sensibilitatea testarii este sporita datorita penetrarii duble a undelor prin mostra. Mai mult, ecourile reflectate prin mostra de pe fundul bazinului sunt separate cu usurinta datorita existentei sticlei. Stimularea, observarea si receptionarea semnalelor ultrasonore sunt realizate cu defectoscopul GE USIP40. Oexaminare a probei plate cu frecventa 5MHz este folosita in testare. Prin compararea presiunii acustice, chiar daca exista o mostra sau nu, coeficientul de atenuare a compozitelor poate fi dedus.

Presiunea incidenta este notata cu P₀. Grosimea mostrei este scrisa ca d_s; d_w1 este distanta de la traductor la suprafata mostrei; d_w2 este distanta de la mostra pana inapoi la suprafata superioara a placii de sticla. Notatia "w", "s" si "g" se refera la apa, mostra si sticla, respective α este coeficientul de atenuare, c este viteza longitudinala, ρ este densitatea, T si R se refera la coeficientul de transmisie si coeficientul de reflexive, respective notatiile "1", "2" si "3" se refera la interfetele 1, 2, si 3. Ceilalti parametrii acustici ai presiunii sunt aratati in Figura 1.

Figura 1.

Cand este omostra intre traductor si placa de sticla, n-i se poate da o serie de ecuatii:

, (1)

Asadar obtinem :

, (2)

Pentru situatia in care nu este o mostra intre traductor si placa de sticla, obtinem simultan:

, (3)

Unde:

, (4)

Conform cu ecuatiile (2) si (3), pot fi deduse urmatoarele relatii:

, (5)

, (6)

Iar , (7)

Introducand amplitudinile pentru P₁₂ si P₁ ca A₁₂ si respective A₁ pot fi citite direct cu defectoscopul.

Daca densitatea mostrei compozitului cu diferite porozitati este privita ca o constanta, care poate fi masurata inainte, R se poate afla. Astfel, α_c este usor determinat conform cu ecuatia (7).

2.3. OBSERVAREA MICROSCOPICA

Testandu-le cu tehnici ultrasonice, suprafetele mostrelor au fost macinate fara nicio zgarietura evidenta folosind smirghel de la 600# la 1500#, apoi polizate folosiond carpa de curatat si pasta de lustruire cu particule de dimensiuni de 1,5μm pana cand nu mai exista niciozgarietura microscopica. Microscopul metalografic GE Lycra MeF4A a fost folosit pentru observarea sectiunii transversale ale mostrei. Pentru fiecare mostra, au fost obtinute niste imagini pentru goluri statistic, suprefetele golurilor continute au fost inregistrate si fotografiate din imagini. Pentru a evita influenta suprafetelor golurilor in diferite sectiuni transversale, grosimea mostrelor a fost redusa pana la 0 mm dupa fiecare cercetare. Macinarea a fost repetata mai mult de 20 de ori pana cand toata mostra a fost macinata complet. Conform cu teoria statistica, volumul porozitatilor poate fi transformat in serii obtinand aria porilor. [16]. Figura 2. ne arata un grup tipic de rezultate obtinute din observatiile microscopice ale porilor mostrelor.

Figura 2.

3. RZULTATE SI CONCLUZII

3.1. REZULTATE

Figura 3. prezinta coeficientul de atenuare ca o functie de porozitate. Coeficientul de atenuare este de 1 dB/mm cand niciun gol, care este cauzat de rasina si fibra in matertialul compozitului. Coeficientul de atenuare creste treptat cu dezvoltarea porozitatii intre coeficientul de atenuare si porozitate este o diferenta. O evolutie aproximativ liniara a lui α cu P a fost stabilita pentru 0,30%-0,5% pana la 0,5%-4,69% , o aproximatie polinomiala de gradul doi a fost stabilita prin ecuatia:

, (8)

Figura 3. Figura 4.

Unde a, b, c₁ , c₂ si c₃ sunt constante pentru frecventa care pot fi determinate conform cu calibrarea experimentala cu master de referinta fara goluri. Coeficientul de atenuare ca o functie de porozitate poate fi determinate folosind urmatoarea ecuatie:

, (9)

3.2. ANALIZA ERORILOR

Pentru a verifica rezultatele determinarilor, suprefete ale porilor diferiti din aceeasi mostra a materialului compozitului este cercetat. Figura 4. rezultatele porozitatii din formula bruta (9) si imaginile date de microscopul metalografic. Prin schimbarea porozitatii de la 0 % la 2,21% s-a gasit ca in esenta aprecierile ultrasonice sunt in concordanta cu determinarile microscopice.

In Figura 5. va prezentam erorile relative ale rezultatelor analizelor porozitatii. Se remarca ca cele mai multe erori sunt mai mici de 25%. Bineinteles, ne-am gandit sa impartim in trei mostre mici poroase de 0 % ,0,09% si 0,12%, iar porozitatea de 0,54% si 0,69%. Pot exista doua motive pentru a explica aceste dezacorduri. Pentru inceput, este dificil sa ne asiguram ca aria de testare cu ultrasunete nu deviaza de la locatia de observare metalografica. In al doilea rand, forma, marimea si modul de distribuire al porilor sunt intamplatoare in tot volumul,ceea ce poate cauza unele fluctuatii ale atenuarii ultrasonore.

Figura 5.

3.3. DISCUTIE

De atunci, primul raport apreciaza ultrasonor porozitatea pentru composite cu coeficientul de atenuare al lui Stone si Clarck, legatura dintre porozitate si coeficientul de atenuare a dus la o mai mare rarefiere. Pe baza teoriei elasticitatii un mediu omogen si izotrop contine goluri afirma Hashim [17],unele modele testate au stabilit formula bruta care a fost promovata. Oricum, explicatiile corespunzatoare rezultatelor experimentale cu ultrasunete nu au fostpropuse. Pentru a clarifica mecanismul de determinare a porilor cu ultrasunete, catorva puncte importante, in afara de formula bruta, ar fi trebuit sa l-i se acorde o atentie sporita.

Majoritatea consideratiile acceptate la modelele cercetate si formula bruta, coeficientul de atenuare ca o functie a porozitatii poate fi exprimat prin formula :

, (10)

Unde A este constanta de atenuareinclusiv pentru fibre, rasini, etc., B este o funcie a frecventei , precum si a formei, marimii si modului de distribuire al golurilor, n este puterea. In generaln este ales intre valorile 1 si 3.

Pentru aceeasi mostra, varietatea formulelor brute ne poate arata diferente minore in determinarea porozitatii.

In cazul nostrum, ne-au fost date alte doua formule brute pentru a le compara cu ecuatia (9):

, (11)

, (12)

Figura 6.

In ciuda faptului ca expresia si parametrii sunt diferiti s-a descoperit ca nu exista diferente vizibile de-a lungul celor trei rezultate numerice instabile din fig.6. Birt si Smith [3] compara cele trei rezultate instabile la testarea porozitatii de catre Stone folosind parabola, respective relatia bi-liniara. Cu toate ca relatia instabila bi-liniara a fost mai bine acceptata comparative cu datele experimentale , diferenta dintre ele este foarte mica. S-a infirmat ca niciuna dintre expresii , si nici valoarea instabila a parametrilor nu este foarte importanta in natura pentru desfasurarea mecanismului de atenuare ultrasonica.

Fenomenul de porozitate critica poate implica unele transformari ale mecanismului de atenuare ultrasonora a golurilor.

De exemplu, Stone si Clarck observa porozitatea critica. Ei descopera ca, atunci cand porozitatea este mai mica de 1 %, golurile sunt in special sferice, iar diametrul lor este in jur de 5≈20μm. Cand porozitatea este mai mare de 1 %, majoritatea golurilor tind sa devina plate iar dimensiunile sa devina mai mari. Rezultatele ecuatiei bi-liniare instabile indica mai degraba deducerea efectului dat de schimbarea intamplatoare a morfologiei porilor. In cazul nostru, a fost observat un caz similar. Valoarea porozitatii este 0 %, oricum nu 1,5%, care poate fi dedusa din modul diferit de preparare a mostrelor. Stone isi asuma faptul ca originea variata a golurilor poate explica feomenul de porozitate critica. In ciuda faptului ca, nu este foarte clara propagarea undelor sonore in compozitele care contin pori, este clar ca fenomenul de porozitate nu este unul intamplator. Mecanismul de atenuare a golurilor trebuie sa fie cu siguranta cercetat.

(3)Mai multa atentie ar trebui sa se atribuie rolului pe care il joaca morfologia porilor cand testarea modelelor este stabile.

Influenta in atenuare a marimii, formei si modului de distribuire a golurilor poate fi mult mai mare fata de estimarea curenta. Este important de notat ca ,in orice caz, cresterea ratei de la 1 la 3 este diferita. Pentru linia 3 ,atenuarea, ca o functie a porozitatii, pare a creste progresiv. Mai mult, linia 2 cu frecventa 2,5Mhz este de asemenea comparata cu linia 3. Oricun , pentru aceeasi porozitate, valorile coeficientului de atenuare sunt sub 0,7 la 0,8dB/mm decat la linia 3, care este data de o frecventa inalta corespunzatoare seriilor de energie scazuta . Este confirmat ca marimea , forma si modul de distribuire al golurilor participa la atenurea sub diferite forme, pe cand aceeasi porozitate ne arata coeficienti de atenuare diferiti. David [18] si Hua [10] au descoperit ca marimea golurilor creste cu scadereaporozitatii. Cu cat porozitatea este mai mare ci atat latimea raportata la ungime este mai mica. Din contra, porozitatea mica corespunde unui raport intre latime si lungime mare. In plus , golurile tind sa se alature unele celorlalte atunci cand sunt mici ca dimensiune, iar forma lor tinde catre una circulara si distributia este relative imprastiata pentru o porozitate scazuta.Considerentele caracteristicilor morfologice sunt de o importanta foarte mare.

Figura 7.

4. CONCLUZII

Acest material investigheaza tehnicile de estimare a porozitatii folosind coeficientul de atenuare cu porozitate scazuta CFRC. Formula bruta intre coeficientul de atenuare sonor si golurile continute a fost stabilita si validate. Bazandu-se pe modelele testate sip e formule, unele opinii au fost din mai degraba propuse pentru intelegerea atenuarii ultrasonore a porilor din composite. Mai intai, forma formulei brute nu este una rara importanta cand datele experimentale ale porozitatii sunt numeric approximate. Apoi, fenomenul de porozitatea critica poate implica unele transformari ale mecanismului de atenuare ultrasonorarelatate de morfologia porilor. In final, este de o importanta sporita sa acordam o atentie mai mare rolului caracteristicilor morfologice ale golurilor cand determinarile ultrasonice ale porozitatii folosesc coeficientul de atenuare.