由于制作預(yù)浸料層合板過(guò)程中對(duì)空氣的機(jī)械夾雜和結(jié)構(gòu)組分受熱揮發(fā)引起的內(nèi)部成核，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部會(huì)不可避免地形成孔隙?？紫妒菑?fù)合材料最常見(jiàn)以及對(duì)使用性能有重要影響的缺陷。研究表明，無(wú)論何種樹(shù)脂、何種纖維與纖維表面處理方式，孔隙率(單位體積內(nèi)所含孔隙的體積百分?jǐn)?shù))每增加1%，復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度便下降5%- 15%，其他如彎曲強(qiáng)度、縱/橫向拉伸強(qiáng)度等性能也均受到一定影響。對(duì)孔隙率的鑒定是判斷復(fù)合材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。依據(jù)構(gòu)件重要程度不同，先進(jìn)復(fù)合材料孔隙率要求控制的水平也有差異。但對(duì)于大多數(shù)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，2%的孔隙率已經(jīng)成為能不能接受的臨界值?，F(xiàn)在的無(wú)損檢測(cè)也主要集中于提供能檢測(cè)孔隙含量為1%-5%的檢測(cè)技術(shù)。
1.衰減法
復(fù)合材料孔隙率無(wú)損檢測(cè)方法主要有紅外成像法、射線檢測(cè)法、微波檢測(cè)法及超聲檢測(cè)法等，其中超聲測(cè)試方法方便、快捷，是一種尤為重要和有效的孔隙率測(cè)試手段。超聲波法檢測(cè)復(fù)合材料孔隙率主要包括衰減法、聲速法和背散射法等。其中衰減法由于原理明確、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而且受纖維含量等的影響較小，因此受到較多關(guān)注。
Stone和Clarke較早開(kāi)展用超聲波衰減法來(lái)進(jìn)行孔隙測(cè)定的實(shí)驗(yàn)。他們針對(duì)由含60%HTS碳纖維和ERLA4617/DDM樹(shù)脂的預(yù)浸料制備而得的一系列復(fù)合板，做了大量的實(shí)驗(yàn)工作。在試樣制備過(guò)程中通過(guò)施加不同壓力得到不同的孔隙率。然后，用三對(duì)中心頻率分別為2.5MHz、5MHz、7MHz的探頭，采用透射法對(duì)試樣進(jìn)行衰減測(cè)量。假定樹(shù)脂種類、纖維含量對(duì)衰減的影響可以忽略;纖維表面經(jīng)過(guò)處理，纖維與樹(shù)脂結(jié)合得很好，這樣衰減只隨孔隙率變化。分別測(cè)得試樣的超聲波衰減結(jié)果以及相應(yīng)的孔隙率(酸蝕法測(cè)得)，并在直角坐標(biāo)圖中標(biāo)出，然后進(jìn)行曲線擬合。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)
和孔隙率P近似成平方關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公式:
。給定頻率下，k為常數(shù)；當(dāng)頻率變化時(shí)，可以將k近似表示成指數(shù)形式，因而 與P的關(guān)系又可以表示成:
。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，對(duì)于用預(yù)浸料制備的復(fù)合板，當(dāng)孔隙率P≤1.5%時(shí)，孔隙是由揮發(fā)物質(zhì)引起的，孔隙呈球形，直徑在5~20μm之間，孔隙率P越大，孔隙直徑越大；當(dāng)孔隙率P≥1.5%時(shí)，孔隙是由空氣引起的，孔隙被壓平和拉長(zhǎng)。鑒于此種情況，Stone和Clarke采用雙線性函數(shù)表示了衰減與孔隙率之間的關(guān)系:
式中，
在給定頻率下是常數(shù)。圖7-2表示雙線性模式的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖中可以看出這種模式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得非常好。
Stone和Clarke的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)公式至今仍被研究復(fù)合材料孔隙率的學(xué)者當(dāng)成經(jīng)典，進(jìn)行參考和引用。
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