一种利用面共振可视化技术检测复合材料结构缺陷的方法

摘要

本发明提供了一种利用面共振可视化技术检测复合材料结构缺陷的方法，将粉末颗粒或粘稠物均匀地涂撒在标准复合材料表面，利用激励振荡使标准复合材料产生振动；在某种频率作用下产生共振，使所述粉末颗粒或粘稠物在标准复合材料表面上形成特定的图案；记录标准复合材料的共振频率和所述共振频率下所呈现的图案；将相同的粉末颗粒或粘稠物均匀地涂撒在待测复合材料表面，利用激励振荡使待测复合材料产生振动，记录所述粉末颗粒或粘稠物在所述共振频率下在待测复合材料表面上所呈现的图案；对比两个图案，判断待测复合材料是否有结构缺陷。本发明可以快速、简便、全面地检测复合材料结构缺陷。在未来的材料无损检测领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用面共振可视化技术检测复合材料结构缺陷的方法，属于复合材料无损检测技术领域。

背景技术

近几年，复合材料以其重量轻、强度高、加工成型方便、耐化学腐蚀等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，得到了迅速发展。

然而，由于复合材料的非均质性，以及在制造过程中的工艺不稳定和使用过程中造成的冲击和腐蚀，使其易产生缺陷。结构检测对于复合材料质量控制而言便极为重要，而无损检测技术作为复合材料质量控制的有效手段，更是起到了举足轻重的作用。

现阶段，国内外的无损检测技术主要有射线检测技术、超声检测技术、声发射检测技术等。然而各检测技术均存在设备昂贵、操作麻烦等缺陷。

音流学(面共振)是一种将声音可视化、形象化的过程。在国外，有艺术家利用美妙的音乐来振动水彩颜料，画出同样美妙的图像。让一个装满沙子的容器以一定的频率均匀地振动时，沙子将最终呈现一个逐渐向外的螺旋形状。

面共振是研究与物理形态有关的振动现象，而这种物理形态是由于某种特殊的传导体发出的声波的相互作用而形成的。其具体形式可以表现为：将某种材料如粉末颗粒或者粘稠物等放在振动着的铁片或者薄膜上，短时间后会出现各种不同的形态和样式，如图1所示。而每种振动波都有其唯一相对应的波形图案，即当波的频率变化，波所产生的物理图案也会随之变化，如果波的频率变回来，物理图案也会随之变回来。

本发明即根据面共振可视化技术提出一种全新的复合材料结构无损检测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何快速、简便、直观、全面的地表现出复合材料所存在的缺陷等问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种利用面共振可视化技术检测复合材料结构缺陷的方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：将粉末颗粒或粘稠物均匀地涂撒在标准复合材料表面，利用激励振荡使标准复合材料产生振动；在某种频率作用下产生共振，使所述粉末颗粒或粘稠物在标准复合材料表面上形成特定的图案；记录标准复合材料的共振频率和所述共振频率下所呈现的图案；

步骤2：将与步骤1相同的粉末颗粒或粘稠物均匀地涂撒在待测复合材料表面，利用激励振荡使待测复合材料产生振动；在步骤1记录的共振频率时，记录所述粉末颗粒或粘稠物在所述共振频率下在待测复合材料表面上所呈现的图案；

步骤3：当复合材料内部或者外部出现结构缺陷时，振动波的传递会产生影响，所述粉末颗粒或粘稠物所形成的图案在缺陷位置会产生变化；将标准复合材料共振频率下所呈现的图案与待测复合材料共振频率下所呈现的图案进行对比，判断待测复合材料是否有结构缺陷。

优选地，所述激励振荡的激励方式为中心单点激振方式或多点激振方式。

优选地，所述激励振荡为自由端激振或固定后激振。

优选地，所述面共振可视化技术的原理是：将粉末颗粒或粘稠物放在振动着的复合材料上，该复合材料在一定的频率下产生共振时，所述粉末颗粒或粘稠物会聚集在该复合材料表面，形成有规律的线条图案。

更优选地，所述粉末颗粒为细砂或精盐；所述粘稠物为淀粉溶液。

优选地，所述复合材料包括但不限于单向树脂复合材料板、铺层树脂复合材料板、塑料板材、金属板材。

更优选地，所述树脂为热塑性树脂或聚合物基树脂；所述热塑性树脂包括热固性的环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、热固性聚氨酯树脂；所述聚合物基树脂包括聚丙烯、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚碳酸酯。

优选地，所述步骤3中，若标准复合材料共振频率下所呈现的图案与待测复合材料共振频率下所呈现的图案一致，说明待测复合材料无结构缺陷；若标准复合材料共振频率下所呈现的图案与待测复合材料共振频率下所呈现的图案不一致，说明待测复合材料存在结构缺陷，图案不一致的位置即为结构缺陷的位置。

优选地，所述复合材料的结构缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。

优选地，所述复合材料的结构缺陷包括复合材料的非均质性、以及在制造过程中的工艺不稳定和使用过程中造成的冲击和腐蚀。

优选地，复合材料共振特征包括：共振频率和共振图案；共振频率指产生共振时的频率值；共振图案是指该共振模态下复合材料表面产生的具有特征属性的线条图案。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明利用面共振可视化技术检测方法是通过对比待测材料与标准材料的共振频率和共振图案来判断待测材料是否有结构缺陷、结构缺陷的类型、尺寸和位置等信息，可以对因复合材料的非均质性、以及在制造过程中的工艺不稳定和使用过程中造成的冲击和腐蚀等原因造成的结构缺陷进行检测。

(2)本发明利用面共振可视化技术的检测方法对复合材料结构性能无损，保证检测前后复合材料本身无影响。

(3)本发明利用面共振可视化技术的检测方法的过程及设备操作简单，与其他检测工艺相比，设备便宜、操作简单，更节约能源及检测成本，具有良好的发展前景。

(4)本发明所述检测技术应用少量如细砂、精盐等粉末颗粒或者淀粉溶液等粘稠物，且共振之后仍在振动的铁片上，无毒无味，因而本检测技术的应用对环境无害，属于绿色检测技术范畴。

(5)本发明利用面共振可视化技术，对复合材料进行无损检测，能够在复合材料表面快速地形成图案，检测速度快；复合材料表面上的图案对比更为直观，简单便利；可以检测结构渐变性的缺陷等，检测更为全面。

本发明由于利用面共振可视化技术，研究共振情况复合材料板的共振模态，通过粉末颗粒或粘稠物对共振模态进行形象化，通过共振图形的变化对材料进行无损检测。该检测方法新颖独特，具有很好的创新性，是一种全新的复合材料结构无损检测方法。该方法具有快速、简便和全面的优点。在未来的材料无损检测领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为颗粒材料在薄板上的共振过程示意图；(a)未振动阶段；(b)振动初始阶段；(c)共振阶段；

图2为面共振可视化技术检测标准板局部的振动图案示意图；

图3为面共振可视化技术检测含缺陷的复合材料板的局部图案示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

一种利用面共振可视化技术检测碳纤维增强复合材料板结构缺陷的方法，步骤为：

1、将长宽为40cm×40cm、厚度0.3cm的碳纤维短纤增强环氧复合材料板作为标准板。将食盐颗粒均匀地撒在其表面上，利用激励振荡器使复合材料产生振动，当312KHz的频率作用下产生共振，使食盐颗粒在材料表面上形成图案如图1所示，记录各种类复合材料的共振频率和该振动频率下所呈现的图案，通过简单的图像处理，建立振动图像库。

2、将具有缺陷的长宽为40cm×40cm、厚度0.3cm的碳纤维短纤增强环氧复合材料板做为待测样品。采用同样的食盐颗粒均匀地撒在其表面上，利用激励振荡器使复合材料板产生振动，当在312KHz的频率附近观察共振图像变化。标准复合材料板产生的共振图案与该共振图案进行对比，判断该复合材料板的缺陷位置及形状。若如图2所示，则显示在图案变化处存在破坏或缺陷。

实施例2

一种利用面共振可视化技术检测试玻璃纤维增强复合材料板结构缺陷的方法，步骤为：

1、将长宽为35cm×35cm、厚度0.3cm的玻璃纤维增强复合材料板作为标准板。将食盐颗粒均匀地撒在其表面上，利用激励振荡器使复合材料产生振动，当108KHz的频率作用下产生共振，使食盐颗粒在材料表面上形成图案，记录各种类复合材料的共振频率和该振动频率下所呈现的图案，通过简单的图像处理，建立振动图像库。

2、将具有缺陷的长宽为35cm×35cm、厚度0.3cm的玻璃纤维增强复合材料板做为待测样品。采用同样的食盐颗粒均匀地撒在其表面上，利用激励振荡器使复合材料板产生振动，当在312KHz的频率附近观察共振图像变化。标准复合材料板产生的共振图案与该共振图案进行对比，判断该复合材料板的缺陷位置及形状。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。