【摘 要】
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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）以其高比强度、比模量、耐疲劳等优异性能广泛应用于航空航天等领域。受工作环境影响,CFRP容易发生湿热老化等损伤,导致其力学性能下降,影响构件安全服役。现有的HB7401-1996、ASTM D5229等标准均基于小试样质量分析开展老化评价,对于大型构件并不适用,因此发展湿热老化的原位、无损评价方法
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碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）以其高比强度、比模量、耐疲劳等优异性能广泛应用于航空航天等领域。受工作环境影响,CFRP容易发生湿热老化等损伤,导致其力学性能下降,影响构件安全服役。现有的HB7401-1996、ASTM D5229等标准均基于小试样质量分析开展老化评价,对于大型构件并不适用,因此发展湿热老化的原位、无损评价方法对于CFRP构件的结构完整性至关重要。临界折射纵波(Critically Refracted Longitudinal Wave,LCR)是一种在材料表面和近表面传播的超声波,对应力敏感、受表面粗糙度影响小,在材料残余应力测量、表面/近表面损伤评价中得到重视。但受材料弹性各向异性影响,CFRP不同方向纵波声速差异达6000 m/s,意味着需要多个楔块满足Snell定律的要求,相应设计制作耗时费力,难以保证不同方向测试的连续性。前期,本研究团队提出基于相控阵超声激励LCR波的方法,即PA-LCR技术,通过相控阵超声控制声束入射角度、实现不同条件下LCR波的灵活激励。本研究基于PA-LCR技术探究T300/AG-80单向板和多向板不同方向对应的LCR波传播规律,并探索将其用于湿热老化评价。主要研究内容与结论如下:（1）建立T300/AG-80单向板的常规LCR和PA-LCR有限元模型并探究其声场传播规律,发现两种情况声场均由LCR波、折射准纵波、反射准纵波、折射准横波和反射准横波组成,其中LCR波最先被接收到。通过建立不同深度裂纹模型得出T300/AG-80单向板0°方向2.25 MHz LCR波的有效渗透深度（-12 d B）为2.25 mm,90°方向小于0.13 mm。T300/AG-80多向板PA-LCR波声场与单向板情况相近,后续声波受频散、层间反射等因素无法区分。不同深度裂纹模型计算发现LCR波有效渗透深度与铺层顺序有关,铺层顺序为[45/-45/0/90]4S时,有效渗透深度为0.87 mm（2.25 MHz）。（2）搭建PA-LCR试验系统,对T300/AG-80单向板0°和90°及其附近方向激励LCR波,获得0°～25°和75°～90°方向LCR波声速、幅值变化曲线,发现LCR声速随入射方向与纤维夹角变化规律与体纵波相速度变化相似,前者数值相对较低。T300/AG-80多向板LCR波声速随入射方向与首层纤维夹角增加呈先上升再下降最后上升趋势,最大声速对应角度为24°,最小声速对应角度为82°。多向板LCR波幅值随夹角增加呈先下降再上升最后下降的趋势,最大幅值对应角度为60°,最小幅值对应角度为90°。（3）通过PA-LCR试验系统中不同预置声速控制声波入射角,优化T300/AG-80层合板中的PA-LCR激励条件。根据不同方向纵波相速度设定预置声速,获得LCR波幅值变化曲线。在此基础上对单向板湿热老化进行探索研究,发现0°方向的最高幅值、LCR波幅值和声速在老化0～120h范围内下降,120～480h范围内升高,90°方向表现为在老化0～480h内持续增加。分析原因与水分子扩散深度、LCR波渗透深度的大小有关。结果证实PA-LCR技术对于CFRP弹性各向异性变化具有良好适应性,在原位、无损表征湿热老化方面优势突出。
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