DO I：10.11973/wsjc202104017
实践经验____________________________
含热塑性纱线的R T M成型工艺复合材料的
超声检测
谭姚姚
(江苏恒神股份有限公司，镇江212000)
摘要：对一种含热塑性纱线的复合材料树脂传递模塑（R TM)工艺成型层压板进行A扫描 和C扫描检测，结合金相检验结果，分析其与不含热塑性材料的R T M工艺成型层压板的超声检测 结果差异。建立了适用于含有该种材料的碳纤维复合材料的超声检测方法和特征缺陷判定方法。结 果表明，接触式超声反射法能有效、直观地检测该种层压板的内部质量，且与金相检验结果相符合。
关键词：热塑性；R T M工艺；金相检验；超声检测
中图分类号：T G115.28文献标志码：B文章编号：1000-6656(2021)04-0071-06
Ultrasonic detection of RTM forming process composites which containing thermoplastic yarn想透
TAN Yaoyao
(Jiangsu Hengs h e n C o.，Ltd.，Zhenjiang 212000, China)
Abstract：Ultrasonic A-scan and C-scan testing combined with metallographic detection w a s carried out for a composite material containing thermoplastic y a m layer board which w a s manufactured by resin transfer molding (R T M)process. T h e difference of ultrasonic testing results between R T M forming process layer board with or without thermoplastic materials w a s analyzed. T h e aim of the rearch i s to establish ultrasonic detection method and characteristics of carbon fiber composite material defect judgment m e t h o d suitable for this kind of material. T h e result s h o w s that the contact ultrasonic reflection met h o d can effectively and directly reflect the internal quality of the layer board，and i t is consistent with the metallographic detecting results.
Key words：thermoplastic；R T M process； metallographic detection；ultrasonic detection
不同的成型工艺及原材料所制得的复合材料层 压板的超声性能均会存在差异，同样厚度层压板的 超声衰减量及其A扫描波形也会存在不同。对不 同工艺及材料制造的层压板单独进行内部质量分析 就很有必要。
常用的碳纤维复合材料成型工艺有热压罐工艺、树脂传递模塑成型(R TM)工艺、缠绕工艺、拉挤 工艺、手糊工艺等。常用的复合材料成型工艺又包含树脂传递模塑（R T M)工艺和真空辅助树脂传递模塑(V A R I)工艺及其他R T M成型工艺。文中采
收稿日期：2020-07-10
作者简介：谭姚姚（1991一），女，学士，工程师，主要从事复合材料的无损检测工作
通信作者：谭姚姚，****************用的复合材料层压板采用R T M工艺制备。RTM
工艺[1]是指在设计好的模具中放置预成型增强体，闭合模具后，在压力作用下注人树脂，树脂流动浸润
增强体，并加热固化后脱模得到复合材料制件。
作为R T M工艺常用的原材料之一的复合材料
编织预成型体，一般为双向布、多轴向经编织物、三维
机织体、立体编织物、单丝定向铺放织物等几种类型
(见图1)。采用编织纤维代替简单的纤维迭层方法
进行制造，可防止某些方向的强度过低。文中采用的
是单丝定向铺放织物织成的复合材料预成型体。
1试验制备及试验结果
1.1主要原辅材料和仪器设备
试验用主要原辅材料如表1所示，主要设备如 表2所示，其中超声无损检测所用的仪器为奥林巴
2021年第43卷第4期
无损检测
中国作文71
谭姚姚：
含热塑纱线的
R T M
成型工艺复合材料的超声检测
(C )三维机织体
（d )立体编织物
图1
常用复合材料预成型体类型
表1
主要原辅材料
名称 规格或牌号生产厂家
用途碳纤维HF10江苏恒神增强体热塑性纱线167D 进n 用于缝合纤维
环氧树脂EH301江苏恒神基体玻璃纤维织物E W 100A
中材科技六年级的画
铺缝用基布无孔聚四氟乙烯薄膜
—
—
分层缺陷预埋
斯公司的OMINI SCAN MX 2接触式反射法超声C 扫系统，系统外观如图2所示。该超声C 扫系统
罔2接触式反射法超声C 扫系统外观
表2
主要设备
名称规格或牌号
生产厂家
用途
自动铺缝设备
-—
用于铺缝预制体制造液压机—
天锻
用于R T M 工艺锁模注胶机—
燃气安全管理制度-
用于R T M 工艺注胶模温机——
用于R T M 工艺固化加热
便携式超声 扫描仪O M I N I 9C A N
M X 2奥林巴斯对试板进行A 扫和C 扫
试样金相镶嵌机——
金相试样的包覆和固化金相显微镜
生活人生Axio Scope
蔡司
对试样内部形貌进行观察
带有机械运动支架•可进行平面C 扫描，探头选用 5 M Hz 、64晶片的相控阵探头。
1.2试样的制备
1.2.1预成型体R T M 成型复合材料层压板的工艺
流程
试验采用的预成型体分为两种，一种为含有热塑 性纱线的编织织物，一种为不含热塑性纱线的双向 布。试验选用平板层压板，厚度相同，纤维体积含量 控制在(53±3)%，在完成预成型体制作后采用RTM 工艺成型。R T M 成型复合材料制备流程[2]为：预成 型体的铺缝—预成型体热定型—基布分离一预制体 铺放^合模一注胶—固化—脱模，其流程如图3所示 (图中T F P 为纤维变角度牵引铺缝技术）。R T M 成 型注胶及固化工艺过程曲线如图4所示。1.2.2人工缺陷试板的制备
编织织物的预成型体分为3个子预成型体.为 了研究超声检测设备对该种复合材料缺陷的检测能 力，共设计了两种人工缺陷预埋方案。①在各子预 成型体之间预埋尺寸（长X 宽）为9 mmX 5 m m 的 人工缺陷;②在子预成型体1的第2层与第3层之 间，子预成型体2的中间层，子预成型体3的倒数第
2层和倒数第3层间分别预埋尺寸（长X 宽）为
TFP 制造预制体预制体模具 预制体定型 定型的预制体
预制体转至成型模具中合模并注射树脂
固化 脱模
图3
铺缝R T M 成型复合材料制备流程示意
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2021年第13卷第丨期
无损检测
图5人工缺陷预埋深度位置示意
1.2.3金相检验试样的制备
试验选取了含有热塑性纱线和不含热塑性纱线 的两种不同材料的层压板，在完成超声检测后，对每 块试板分别切了尺寸（长X 宽）为20 mm X 10 mm 的金相检验试样。为了保证检测结果的均匀性与稳 定性，每种试样各选取了 3个进行金相检验。
金相检验试样的制备过程如下：首先对试样进行 包覆，采用美国B u e h le r 公司生产的S im pliM et 4000
热压镶嵌机进行样品包覆，并在90 °C 下固化15 m in ，
固化完成后对观察截面依次用800目，1 000目，
1 500目及
2 000目水磨砂纸进行打磨，每更换一次
砂纸都应将试样彻底清洗干净，最后用绒布和粒度 约为0.5
的金刚石抛光粉进行抛光，直到试样表
面无明显划痕为止，抛光完成后可用超声波清洗器
况下，含有热塑性纱线的层压板超声A 扫描结果和 截取底面回波信息的C 扫描结果如图7所示，不含 热塑性纱线的层压板超声A 扫描结果和截取底面 回波信息的C 扫描结果如图8所示。
从图7(a )的波形中可以清楚地观察到超声波 的表面回波和底面回波。与不含热塑性纱线的波形 相比，在同样的材料工艺及厚度条件下，在^时刻 底面回波幅值降低。从图7(b )及图8(b )截取的底 面回波信号形成的C 扫结果也可以看出，含热塑性 纱线层板的整体底面回波幅度比不含热塑性纱线层 板的要低。二者幅度的差值主要是由超声波在层压 板中的衰减引起的[3]。
由于R T M 成型复合材料含有热塑性纱线，在 靠近试板表面回波附近，其超声A 扫描波形出现较 为密集的连续多个反射回波，这是该种材料RTM
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图4 R T M 成型注胶及固化工艺过程曲线
如图.工缺陷。两种方案的人工缺陷5所示。
预埋缺陷
(a )方案1
子预成型体3子预成型体2子预成型体1
子预成型体3
子预成型体2子预成型体1
(b )方案2
清洗试样，以防止抛光粉堵塞孔隙，最后用酒精擦拭 并烘干试样。包覆并打磨抛光后的金相试样实物如 图6所示。
图6
包覆并打磨抛光后的金相试样实物
1.3试验结果
1.3.1 超声检测结果
对两种不同材料但工艺及厚度相同的层压板进 行超声检测。在设备型号及设备参数保持一致的情谭姚姚：
含热塑：性纱线的
RTM 成
型工艺复合材料的超声检测
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2021年第43卷第1期
无
损检测
谭姚姚：
含热塑k 纱线的R
T M
成型工艺复合材料的超声检测
(b ) C 扫结果
图7含热塑性纱线层压板的超声检测结果
(a ) A 扫结果
(b ) C 扫结果
图8
吹空调感冒是风寒还是风热
不含热塑性纱线层压板的超声检测结果
成型复合材料层压板的波形特征，如图7(a )红色框 部分所示，图8(a )中不含热塑性纱线的R T M 层板 波形就不存在这个特征。
出现以上现象可能与超声波在介质中的传播特 点以及含有热塑性纱线的R T M 成型复合材料的宏 观组织结构有关。当超声波经过两种介质的界面 时，如果声波波长小于界面尺寸，那么声波会发生反 射。声波波长A 与波速i 的关系为
A =
/
(1)
式中:/为中心频率。
超声探头的频率为5 M Hz ，选用接近零孔隙率 的试样，测得其声速约为2 857 ，根据式(1)可
以计算出声波波长约为570 Hm ，当试样中界面尺寸
大于570
以上时，声波会发生反射。试验用的
R T M 成型复合材料中除了纤维和树脂基体外，还
存在热塑性纱线，在树脂固化过程中，由于热塑性纱 线和树脂基体不相容，所以两者存在界面。
同时，由图8(a )可以看到表面回波和底面回波 之间存在幅度较弱的回波，这是由于层压板中存在 有声阻抗差异的热塑性纱线与树脂、纤维与树脂等 的界面，但与底波相比这些回波幅度很小，因此可以 判定该区域无宏观缺陷[3]。
对子预成型体之间埋有聚四氟乙烯薄膜的层板
营销活动策划方案进行超声无损检测，子预成型体1和子预成型体2 之间预埋缺陷的A 扫结果如图9(a )所示，C 扫结果 如图9(b )所示，子预成型体2和子预成型体3之间 的预埋缺陷A 扫结果如图9(c )所示，C 扫结果如 图9(d )所示。
在子预成型体内部缝合聚四氟乙烯薄膜，对层 板进行超声无损检测，上层缺陷的A 扫结果如图10 (a )所示，其C 扫结果如图10(b )所示；中层缺陷A 扫结果如图10(c )所示，其C 扫结果如图10(d )所 示；下层缺陷A 扫结果如图10(e )所示，其C 扫结果 如图10(f )所示。
对于预埋宏观缺陷区域，无论是埋在子预成型 体之间的缺陷还是缝合在预制体内部的缺陷，都可 以观察到表面回波和底面回波之间出现波幅较大的 缺陷回波，说明所含缺陷材料的声阻抗远小于层压 板的声阻抗，这与分层缺陷理论一致。从分层缺陷 回波在时间基准线上的位置可以判断缺陷的深度， 这与缺陷实际预埋深度位置基本吻合。
通常将反射波声压与人射波声压的比值称为声
压反射率[4](用r 表示），将透射波声压和入射波声 压的比值称为声压透射率（用？表示），分别如式(2)，（3)所示。
Zj-Ji
Z 2+Z !
(2)2Z 2
z ,+z ,
(3)
式中:Z i 为第一种介质的声阻抗;Z 2为第二种介质的声阻抗。
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2021年第《卷第4期
无损检测
谭姚姚：
含热塑k纱线的R T M成型工艺复合材料的超声检测NI
图9子预成型体间预埋缺陷的超声检测结果
(e)下层缺陷A扫结果(f)下层缺陷C扫结果
图10子预成型体内部缝合缺陷的超声检测结果
2021年第43卷第丨期
无损检测
