树脂基复合材料孔隙率超声表征技术研究

利用超声衰减的原理,运用超声C-扫描成像技术超声表征评定树脂基复合材料的孔隙大小,进而评定材料的力学性能情况,结合解剖试验建立了树脂基复合材料超声衰减、孔隙率和力学性能的关系曲线,探索了一种超声表征评定树脂基复合材料的孔隙情况及力学性能的方法。

基于频域参量的石英复合材料孔隙超声表征方法研究

孔隙率对复合材料性能有很大影响。针对高孔隙率复合材料超声表征不足问题,本文把超声功率谱特征和非线性特征应用于表征高孔隙石英酚醛复合材料的孔隙率,即在频域上对比研究孔隙对基波幅值的衰减及谐波幅值的滋生的影响。结果表明:二者均能有效表征高孔隙复合材料的孔隙率。基于频域基波分析的超声功率谱特征参量测量容易,随孔隙增加呈递减变化,在孔隙率较低时具有一定优势;基于谐波分析的超声二阶非线性特征参量,随孔隙增加呈递增变化,对高孔隙率表征更具优势。

模糊模式识别技术在超声表征铝质高压绝缘子中的应用

本文提出一种基于模糊模式识别技术对不同烧成温度的高压铝质绝缘子进行超声表征的方法。通过超声水浸线聚焦技术获得烧成温度分别为1220℃、1260℃和1300℃的绝缘子的回波信号,并提取归一化功率谱中0.58MHz、1.282MHz和1.495MHz三个频率的幅值作为表征绝缘子组织结构的特征值。由于对应不同烧成温度,该特征值围绕其平均值波动,此时可认为该烧成温度对应组织结构的超声回波功率谱特征值形成了一个模糊集,利用模糊识别中能够表征模糊集之间彼此接近程度的贴近度概念来进行研究。结果表明,利用待测试样与标准试样功率谱特征值之间的贴近度,可以有效区分不同烧成温度的绝缘子,贴近度越大,待测试样与标准试样的烧成温度越接近。该方法为无损表征不同组织结构的绝缘子提供了有效途径。

超声法的残余应力场无损检测与表征

残余应力对机械构件的服役性能具有重大影响,尤其是对其强度、疲劳寿命和尺寸稳定性。如何快速、无损和准确的评估出构件表面或一定深度内的残余应力状态一直是研究难点和热点问题。为了解决这一问题,基于声弹性理论,采用超声波无损检测技术,研究超声波传播速度和方向与应力的关系,对比不同类型超声波对应力的敏感程度,发现沿应力方向传播的纵波波速受应力的影响最大。设计了一发一收斜入射探头,通过激发出的临界折射纵波(LCR波)来检测被测件的残余应力。针对深度梯度残余应力的检测,建立了超声梯度检测模型,利用超声频率与渗透深度的关系推导了应力梯度计算公式。设计C形应力试样,通过该试样产生的应力梯度来验证残余应力场的超声表征。

基于超声声速法的陶瓷涂层特性表征

采用强流脉冲离子束(HIPIB)辐照方式获得了特性(孔隙率、微裂纹及致密度)不同的Cr2O3陶瓷涂层。利用超声反射系数谱相邻极小值频率间隔Δf与涂层厚度d之间的关系Δf=c2/2d求得了涂层声速c2。对应于原始及辐照1次和5次涂层试样,超声声速分别为2 002,2 099和2 197 m/s,声速提高表明涂层弹性性能增强。SEM结果表明,涂层经辐照后孔隙及裂纹减少,涂层变得致密,同时其表面显微硬度提高。超声试验结果与理论分析一致,利用声速能够对HIP-IB改性的Cr2O3涂层特性进行超声表征。

基于超声声压反射系数相位谱法的热障涂层非均匀性表征

利用声压反射系数相位谱法对厚度为(50±5)μm,等离子体喷涂方法制备的Cr2O3陶瓷涂层的非均匀性进行了超声表征。对试样不同位置进行了声压反射系数幅度谱和相位谱测试分析,发现由相位谱测得的不同位置的声速值存在差异并且相位谱极值间的变化规律相反。结合扫描电镜(SEM)分析,认为这种差异是由涂层中孔隙与裂纹密集程度不同所引起的。借助数值计算,分析了涂层密度对相位谱的影响,进而解释了同一涂层试样相位谱极值间变化规律相反的原因。试验和数值计算结果表明,声压反射系数相位谱对涂层内部组织结构的变化更为敏感,可以用来表征涂层的非均匀性。

早龄期充填混凝土力学行为超声波表征

为研究早龄期巷旁充填混凝土损伤破坏超声波预测方法,制备了7,14,21,28 d等4种早龄期充填混凝土试件,采用扫描电镜观测其微观形貌,并进行单轴压缩力学特性测试,分析了充填混凝土损伤累积过程中连续超声波参数变化规律。试验结果表明:随着龄期增长,充填混凝土试件内部结构逐渐致密,使得混凝土单轴抗压强度、弹性模量呈非线性递增,泊松比呈非线性递减,超声波波速、主频幅值呈递增关系;主频幅值表现出与试件裂隙扩展有很高的相关性,根据主频幅值极值点确定了裂隙闭合应力点σ'cc及损伤应力点σ'cd,并依据特征应力点划分了裂隙发育的3个阶段,可以将主频幅值的极大值点作为充填混凝土失稳破坏的前兆信息,为巷旁充填混凝土承载性能超声波预测提供了理论基础。

沟槽机筒挤出机塑化特性的超声波表征

分析了制品超声波特征回波幅值和沟槽机筒挤出机塑化特性的关系,构建了基于超声波特征幅值衰减的评价方法,通过实验研究,探明了机筒结构和螺杆结构对沟槽机筒挤出机塑化特性的影响,并结合可视化实验研究对结果进行了验证。结果表明,在相同的螺杆结构条件下,压缩段沟槽机筒挤压系统加工的制品对超声波的衰减作用最小,即该挤压系统有较好的塑化效果;在相同的机筒结构条件下,随着螺杆压缩比增大,物料的塑化程度不断提高,且实验结果与可视化研究一致。

基于BPNN的封严涂层孔隙分布均匀性超声表征

可磨耗封严涂层的多相非均质特性导致超声波在其中传播行为复杂,涂层组成相分布均匀性的超声表征在有效超声特征提取、特征与均匀性关系描述等方面存在困难。针对这一现状,提出了BP神经网络(BPNN)结合超声信号小波变换技术定量表征可磨耗封严涂层孔隙分布均匀性的方法。基于统计学思想与随机场理论建立铝硅聚苯酯(AlSi-PHB)封严涂层随机多相介质模型,通过调节自相关长度参数改变模型的孔隙分布状态。采用面积分数多尺度分析技术获得定量描述涂层孔隙分布均匀性的绝对斜率与均匀性长度,提取超声仿真信号的时域、频域及小波分解时频域衰减系数,探究其与绝对斜率及均匀性长度之间的相关性,并作为BPNN的输入对绝对斜率与均匀性长度进行预测。结果显示:在孔隙率5%时,随自相关长度从11μm增大至26μm,绝对斜率从0.86减小至0.76,均匀性长度从550μm增大至6 785μm,表明孔隙分布均匀性降低;时频域衰减系数与均匀性参数间的相关性最显著,绝对斜率与均匀性长度的BPNN预测结果决定系数分别为0.97和0.98,在3种衰减系数预测结果中最优。所提方法可为定量表征非均质涂层组织分布均匀性提供有效途径。

超声波表征天然橡胶/环氧化天然橡胶并用体系的硫化过程

在料腔安装超声波探头的无转子硫化仪上同步监测天然橡胶(NR)/环氧化天然橡胶(ENR)硫化过程得到了声速曲线和扭矩曲线,对比其相似性提出了超声波表征硫化历程的方法,指出其对微观结构和密实度变化更加灵敏。在压力-体积-温度(PVT)-超声波检测装置上同步测试了该并用胶的比容和声速,这两种同步测试数据可用直线方程、考虑压力效应的声阻抗方程和从Tait方程推导直接反映温度效应的方程对硫化过程进行较好描述,说明超声波还可直接监测硫化胶的比容变化。

超声波表征聚丙烯/碳酸钙复合材料非等温结晶过程

采用转矩流变仪熔融混合制备了聚丙烯(PP)/碳酸钙(CaCO_3)复合材料,其转矩曲线反映加料、熔融和混合过程及填充增黏效应。DSC、偏光显微镜观察及力学测试表明,CaCO_3纳米粒子界面可诱导PP异相成核并加速结晶,较弱的界面黏结强度和更多更小的PP晶体可吸收更多的能量从而提高冲击强度;但加入过多CaCO_3易发生团聚,延缓结晶,反而降低冲击强度。与这些测试对比,成功用超声波监测变压装置内PP/CaCO_3在很宽温度和压力范围的结晶过程。增加CaCO_3含量会降低声波速度并使相态转变点温度向低温偏移;提高压力会提高相态转变点温度,加快PP结晶和凝固过程。

超声波在线表征MVQ/EVA复合材料的交联过程

通过安装超声探头的无转子硫化仪监测硅橡胶(MVQ)/乙烯—醋酸—乙烯酯共聚物(EVA)复合材料的交联过程得到了声速和扭矩曲线,对比其相似性提出了超声波表征MVQ/EVA复合材料硫化历程的方法,指出超声波对微观结构和密实度变化更加灵敏。采用压力—体积—温度(PVT)—超声波检测装置同步测试了MVQ/EVA复合材料的比容和声速,通过直线拟合法得到了声速与比容之间的定量关系式,以此为基础可以在线监测超声波信号而预估比容值和橡胶硫化进程。

HIPIB辐照前后Cr_2O_3陶瓷涂层超声衰减特性研究

采用等离子体喷涂方法在不锈钢基体上制备了厚度为50μm的Cr2O3陶瓷涂层,借助强流脉冲离子束(HIPIB)对涂层进行辐照,改变了涂层中的孔隙率及微裂纹阵列分布。利用超声水浸聚焦方法获得了辐照前后涂层试样的回波信号及其反射系数谱。结果表明,辐照前后涂层材料中超声波衰减系数与频率之间的关系分别为α=0.28f+9.50×10-4f2+7.04×10-6f4和α=0.11f+2.10×10-4f2+8.73×10-6f4,数据拟合与实验结果相符,超声表征结果与陶瓷涂层横截面的SEM(Scome lectric microscope)基本一致。

纵波脉冲回波法和兰姆波法在表征薄层结构中的应用比较

介绍了两种常用的材料薄层超声表征方法———纵波脉冲回波法和兰姆波法。阐述了其基本原理,并结合实例比较了它们的应用情况、优缺点和适用条件等。纵波脉冲回波法简单易行,能够获得薄层厚度、声速和衰减等信息。但实验结果受薄层介质的声衰减和表面粗糙度影响较大,对探头的性能要求较高。兰姆波法主要用于表征薄板类材料,无需较高检测频率,可以测得板中纵波和横波的声速、板厚和板与板之间的结合特性等,检测精度较高。缺点是发射和接收探头之间的距离和倾斜角度需要严格控制,影响因素较多。

T2紫铜丝高温环境超声参量变化研究

在人类社会发展的过程中,金属材料必不可少,继而金属材料的高温特性已成为不少工程中的热点。针对目前金属材料高温评价方法的取样范围有限、试验周期较长、具有破坏性等缺点,研究了新型无损检测与评估技术,为金属材料高温特性的研究提供了更科学的方法手段。由于材料在不同温度下的组织状态不同,引起基体力学性能的连续性产生变化,这使得超声波在材料中的传播速度、衰减系数等参量发生改变。采用脉冲回波法对金属材料T2紫铜进行高温单点采集实验,通过对回波信号进行渡越时间算法处理,用MATLAB绘图得出声速和幅值衰减随温度变化的曲线图。研究结果表明,获取的温度特性曲线图特征与材料固有特性相吻合。由此得出结论,超声表征方法可为金属材料的研制、生产、加工及高温使用提供一种辅助评价手段。

以相对相速度无损表征30Mn2SiV棒材复杂组织的探讨

本文以某公司经控轧控冷工艺生产的非调质D级抽油杆用钢30Mn2SiV为对象,利用超声波水浸线聚焦检测技术,借助频谱分析方法,采用计算相位谱的偏离程度获得相速度值的方法,以相速度为无损表征参量,研究了具有不同珠光体含量和形态的粒状珠光体+片状珠光体+铁素体、片状珠光体+铁素体以及上贝氏体+片状珠光体+铁素体三类样品复杂组织状态与相对相速度之间的关系。结果表明,利用相对相速度能够对上述三类复杂组织进行无损识别。

超声无损表征薄层结构研究进展

介绍了两种目前常用的材料薄层超声表征方法——纵波脉冲回波法和兰姆波法。阐述了这两种方法的基本原理,并结合具体实例分析了这两种方法的应用情况、优缺点和适用条件等。

铝质高压绝缘子超声无损表征

利用超声无损表征原理对烧成温度分别为1230℃、1260℃及1290℃的铝质瓷坯料样品进行了测试分析,讨论其组织状态随温度的变化情况。研究表明,与1230℃和1290℃的样品相比,超声波在1260℃的样品中声衰减系数较小、主频偏移小。分析认为,在陶瓷材料的组织成分稳定的情况下,声衰减系数的变化主要受孔隙率的影响,并随着孔隙率的增大,声衰减增大。SEM观察结果与超声分析结果相符合,说明超声回波功率谱分析用于铝质瓷材料的表征与评价是可行的。

碳酸化含硅羟基磷灰石纳米粉体的超声化学法合成及表征

掺杂2种含有碳酸根和硅酸根的化合物,采用超声共聚沉淀法制备碳酸化含硅羟基磷灰石(carbonated silicon-substituted hydroxyapatite,CSi-HA)纳米粉体,优化组合合成条件,并分析表征产物的晶相、粒度、结构和表面形貌。结果表明:将钙源Ca(OH)2用氨水调节pH=10.5～11.5后,在超声波连续作用下加入磷源H3PO4溶液,能够有效防止形成次生相,可以生成纯度高、高度分散的初生态HA胶状液;将掺杂硅源Na2SiO3和碳源Na2CO3混合溶液再在超声波连续作用下加入初生态HA胶状液中,能够有效实现CO32-和SiO4-对HA结构基团的置换,并得到纯度较高、结晶细腻、粒径分布范围窄且均匀的CSi-HA纳米粉体;在掺杂范围内,随碳酸根和硅酸根掺量的增加,CSi-HAP晶粒尺寸呈减小趋势。