碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fibre Reinforced Composites,CFRP)凭借其优异性能广泛应用于航空航天等领域。制备工艺决定了 CFRP复合材料内部不可避免地会产生孔隙,当单位体积内的孔隙含量,即孔隙率超过一定值时,复合材料的物理、力学性能均会受到影响,准确可靠的复合材料孔隙率无损检测技术对于复合材料构件的性能控制具有重要意义。超声衰减法是最常用的CFRP孔隙率无损检测方法,其依据是建立超声衰减系数α与孔隙率P之间的联系,而对复合材料中孔隙导致的超声散射衰减机理的研究是该技术应用的前提和关键。已有文献中针对含孔隙复合材料衰减机理的研究通常基于以下假设:①CFRP复合材料基体为各向同性均匀介质;②孔隙形状规则,孔隙尺寸唯一或满足某分布函数,孔隙均匀分布;③不同孔隙的超声散射波之间无相互作用,孔隙散射遵从单一的瑞利散射机制。由于经典研究工作中对于复合材料基体介质和孔隙的假设趋于理想化,所建立的孔隙衰减数学模型过于简单,导致孔隙率与超声衰减系数的理论分析与实验测试结果之间存在较大差距。为了揭示CFRP复合材料的超声散射衰减机理,提高孔隙率超声检测的准确性,本文根据复合材料的实际属性,以及孔隙尺寸跨度大、形状不规则、分布随机等复杂形貌特征,借鉴随机孔隙模型建模思想,首先建立了真实形貌孔隙模型(Real Morphology Void Model,RMVM)。该模型能够客观准确地描述复合材料基体属性及孔隙尺寸、形状、分布等复杂、随机形貌,与以往的确定性模型相比,具有实质性的突破,为超声散射衰减机理研究提供了更为有效的模型基础。随后,借助仿真方法研究了孔隙率、孔隙形貌对超声波传播行为的影响,确认了由于孔隙形貌复杂多变导致的α与P之间存在的非唯一对应关系。同时,将孔隙尺寸多样性、多孔隙超声散射的相互作用等因素考虑在内,定量分析了不同孔隙尺寸范围以及多孔隙条件下α值的变化规律,提出了 CFRP复合材料中存在瑞利散射和随机散射两种散射衰减机制的观点,并解释了不同尺寸孔隙的散射波相互作用对超声衰减的贡献。最后,结合孔隙形貌特征对α和衰减谱斜率K的影响规律,提出采用超声双参数法表征CFRP孔隙率。主要研究内容和结论如下:(1)基于CFRP孔隙形貌的随机性和复杂性特征,借鉴随机孔隙模型建模思想,建立了真实形貌孔隙模型RMVM。采用金相显微镜观察CFRP复合材料中的孔隙特征,借助数字图像处理技术提取显微照片中的孔隙形貌信息,根据像素灰度级分别赋予孔隙和基体不同的材料属性,建立P范围为0.58%～3.49%的441个具有不同孔隙形貌的RMVM。利用时域有限差分方法,采用5MHz探头(超声波波长λ为560μm)对RMVM进行超声检测数值计算,得到α与P之间的对应关系,实验测得的数据结果与仿真结果之间符合良好,充分证明了 RMVM建模思想的有效性。RMVM中孔隙尺寸多样、形状复杂、分布随机,克服以往确定性模型中孔隙形貌过于简化的问题,为超声散射衰减机理研究奠定了更为有效的模型基础。(2)通过研究孔隙率及孔隙形貌对超声波传播行为的影响,明确了由孔隙形貌复杂多变导致的α与P之间的非唯一对应关系。为了从超声散射机理角度解释该关系存在的原因,将孔隙尺寸多样性、多孔隙超声散射的相互作用等考虑在内,分析了不同孔隙形貌因素(尺寸、数量、分布)对超声衰减系数的影响。CFRP复合材料中孔隙尺寸D值范围从几微米到几百微米,D/λ≈0～1,超声波波数k(k=2π/λ)与D的乘积取值范围约为0～2π。研究表明:CFRP复合材料中同时存在瑞利散射(kD<1)和随机散射(kD≈1)两种机制,两种散射机制在kD=0.70～1.05处发生转换;D值相同时,P越大,超声衰减越严重,随机散射机制时α随P增长的速度高于瑞利散射。不同尺寸孔隙对超声波散射作用的贡献存在差异,小孔隙(D≤56 μm)和中孔隙(56 μm<D<178 μm)的存在会削弱多孔隙条件下的超声波散射,而大孔隙(D≥178 μm)则使之增强。基于RMVM数值模拟计算,发现了 CFRP复合材料中存在瑞利散射和随机散射两种散射衰减机制的现象,并解释了不同尺寸孔隙相互作用对超声散射衰减的贡献。(3)为了提高CFRP复合材料孔隙率超声检测的准确性和有效性,针对α与P之间呈非唯一对应关系的问题,提出引入频域参量——衰减谱斜率K对相同α下的孔隙率加以区分。利用数值计算方法讨论了相同α下,孔隙尺寸、数量以及分布对K值的影响规律,其中,α相同的情况下,孔隙尺寸和数量呈反比例关系,二者可视为同一影响因素。研究表明:孔隙尺寸和数量是影响K值的重要因素,低衰减时(α≤2.8dB/mm),主要是孔隙数量影响K值,K值随P增大而逐渐减小;而高衰减时(α>2.8 dB/mm),孔隙尺寸占主导地位,D值越大,K值越小。孔隙分布对K值影响较弱,只有在极端情况(如孔隙呈一条直线排布或孔隙聚集成团)发生时,K值才会降低到0.5以下。(4)根据相同α下孔隙形貌因素对K值的影响规律,提出将α与K相结合,即采用超声双参数法检测CFRP复合材料孔隙率。借助RMVM进行数值计算,发现α相同时,P与K之间呈负相关关系。同时,过小的K值说明RMVM中孔隙分布偏聚严重(α≤3.6 dB/mm时)或存在较大孔隙(α>3.6 dB/mm以后)。依据P与K之间的负相关关系,将α与K两参数相结合,提出采用超声双参数法对CFRP孔隙率进行定量表征。统计结果表明:采用超声双参数法有效表征的模型个数为265个,占模型总数的77%;而采用超声衰减法有效表征的模型有240个,即有70%的模型孔隙率被有效预测。因此,与超声衰减法相比,采用超声双参数法可以将孔隙率测量准确率提高7%。