CN104603604A - 一种表征由复合材料制成的物品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于表征具有编织、编结或缝制的纤维增强件的复合材料物品的方法。所述方法包括通过X射线断层扫描确定所述物品的至少一部分的灰度级(120)的步骤，然后，通过至少区分自由基质(122)和与基质混合的纤维的线(124，126)使用所述灰度级以获得关于该织物的至少一则信息的步骤。所述线被认为是均匀材料。

Description

一种表征由复合材料制成的物品的方法
技术领域和现有技术
本发明属于表征通常在机械工业中，特别地在航空工业中，使用的材料和结构的方法的领域。
本发明应用于具有纤维增强件的复合材料，所述纤维增强件是编织的、编结的或实际上缝制的，所述材料在构造飞机部件的领域中有许多应用，并且特别地但不限于航空发动机的部件，例如风扇叶片。这些材料在重量、强度、制造部件的容易性方面具有有利的属性。
对于给定部件，知道纤维增强件在部件中的特征以改善关于其力学性能的知识是有用的。通常使用编织参数来描述该纤维增强件，如纤维分数(Vf)，编织列之间的距离(经纱为dc以及纬纱为dt)，经纱和纬纱数量之间的比(经/纬比)和收缩(θ)。
这些特征在单个给定部件内根据该部件的形状可发生改变。因此，能够确定这些特征在该部件的整个体积上如何变化是有用的。
已知各种技术用于实施表征，以及本文讨论了它们，其中它们涉及具有有机基质的复合材料。这些表征技术使用化学溶解和重量测量，或者在剖面上制成切口和进行测量。
因此可以获得某些类型的信息，如纤维分数，其可通过在通过用酸化学腐蚀而溶解掉基质之后称重确定，并且也涉及列之间的距离，所述列通过在剖面上进行观察测量。
然而其它参数仍难以提取：因此，很难确保剖面遵循在给定编织列中的所有线，因此特别困难的是测量收缩和波形，特别地在表示具有大量线的编织单元的体积上(在某些织物中其可能大于100)。同样，只能间接地获得经/纬比。
除了仅提供不完整的表征外，这些技术具有破坏性、适用于仅少体积的材料(通常4克(g))、以及在实施它们所需要的时间方面很昂贵的主要缺点。溶解物质也在测量中产生了潜在错误的问题，由于可能的杂质(该风险随着研究的体积增加而增加)，并且它们会导致难以回收的浪费。
本发明旨在解决上述困难。
发明内容—其所提供的优点
本发明包括一种用于表征由具有编织、编结或缝制的纤维增强件的复合材料制成的物品的方法，所述方法包括使用X射线断层扫描以确定所述物品的至少一部分的灰度级的确定步骤，其次是通过至少区分自由基质和与所述基质混合的纤维的线利用所述灰度级以获得关于该织物信息的利用步骤，所述线被认为是均质的材料。
由于这些特征，所述物品以非破坏性的方式所表征，并且迅速地以及非常精确地获取先前一直很难获得的信息。这就构成了重大的进步，由于工作是基于中型尺寸通过考虑作为均质材料的与基质混合的纤维线的灰度级可以与基质的灰度级区分。
该方法也可以作用在大尺寸的样品上。
有利地，使物品绕与样品材料的纤维方向平行的轴线旋转实施所述确定步骤，以及通过将自由基质与纬线和经线区分实施所述利用步骤。
这就构成了一种基于非常创新的现象的方法，其仅最近被表征以及可以准确地确定之前很难或无法获取的参数。仅通过实施优化参数的研究使得可能检测该现象的存在，即每个被视为均质材料的经线和纬线呈现各自不同的灰度级分布。
在一个实施方式中，所述利用步骤包括确定灰度级的分布，然后反褶积在所述分布中的至少两个高斯曲线，以确定至少一种线的体积分数。这使得可以获得关于所述物品的截面或体积的信息。所述利用步骤也可在材料内纤维分数和线的体积分数之间的预定关系的帮助下实施。所述利用步骤可特别地包括反褶积至少三个高斯曲线以确定纬线的体积分数和经线的体积分数，以及纬纱纤维和经纱纤维的数量之间比，即纬/经，这是很有利的，由于该信息很难获得。
在本发明的特定方案中，所述利用步骤包括确定所述物品的连续截面的灰度级分布，以及通过施加傅里叶变换或通过测量在所述连续截面内的波峰间距离获得编织列之间的距离。
在另一实施方式中，所述利用步骤包括在作为灰度级函数的所述物品的图像中显示线。优选地，在作为灰度级的函数的图像内区分经纱和纬纱，如果必要的话，确定线的收缩角或波纹参数，这是非常有利的，由于很难获得该信息。
本发明特别地适用于具有通过由碳或其它材料制成的纤维所构成的编织纤维增强件的复合材料。所述材料的基质可为有机的，金属的或陶瓷的。研究中的物品可以是涡轮喷气飞机的部件，以及有利地可以是完整结构。它也可以是样品。
附图说明
图1和图2示出了本发明的方法的第一实施方式。
图3和图4示出了本发明的方法的第二实施方式。
图5示出了在图3和图4的实施方式背景下所获得的结果。
图6示出了本发明的第三实施方式。
具体实施方式
图1示出了本发明的第一实施方式。更准确地，示出了一种用于X射线断层扫描研究的装置。具体地，该装置是微型计算机断层扫描(μCT)装置。它适用于表征由具有环氧有机基质和碳纤维的复合材料制成的物品100。碳纤维具有约5微米(μm)的直径并且它们在所述方法中不可见。
研究装置具有X射线源200，用于过滤源束的过滤器210，如通过使用一个0.1毫米(mm)厚的铜件，以及二维(2D)检测器220。物品100在X射线束内被定位在过滤器210和检测器220之间。它绕轴线X相对于检测器220和过滤器210旋转。断层扫描设备记录物品100的像素点的灰度级。
图2是绘制表示在物品100的整个体积上灰度级的分布的曲线110的图。横坐标轴示出了灰度级(从1到216-1＝65535)，以及在纵轴上的比例给出了具有给定灰度级的像素点的数量。
分布曲线110存在两个可见的最大值。在某些情况下，该曲线存在三个最大值，如下参考图3和4所述。
此后，当分析曲线110时，考虑到复合材料由自由基质以及由与该基质混合的纤维线构成，所述线被视为构成均质的材料。
依赖于以下事实，曲线被反褶积以获得两条高斯曲线：这两种均质材料的每种都具有各自灰度级的高斯分布。因此，曲线110揭示环氧基质和线的各自的贡献。这两种贡献是具有标记112和114的高斯曲线。在该示例中，线具有更大贡献和较高的灰度级。
通过对在两个高斯曲线112和114的每个的像素点的数量求和，可以得到由基质所占据的体积和由线占据的体积，以及通过采取该比值，可以获得在研究中的物品100的体积中线的体积分数，被写作V线。
图3示出了第二实施方式。它在两个方面不同于第一实施方式。
首先，物品100的一种编织方向被定位平行于旋转轴线X。该编织方向在图中标记为1。方向2垂直于轴线X。
其次，通过施加用于产生X射线的高电流和低电压来优化X射线源200。
断层扫描设备记录了在物品100内像素点的灰度级，如图1所示。
图4是绘制了在第二实施方式中表示在物品100的整个体积上灰度级的分布的曲线120的图。再一次，横坐标轴给出了灰度级以及纵轴给出了呈现给定灰度级的像素点的数量。
分布曲线110示出了三个可见的最大值。
这一现象的可能原因似乎是碳纤维的正交性质，和/或线内纤维之间的间隙具有预定方向的事实。此外，这两种现象可以结合。
在任何情况下，可以看到线在它们的横向方向和它们的纵向方向呈现不同的吸收水平。在图3的布置中，方向1的所有线总是横向地穿过X射线，而在物品100绕旋转轴线X的旋转过程中，方向2的线有时纵向地穿过X射线。方向1的线的灰度级(平行于旋转轴线)低于方向2的线的灰度级。
依赖于基质、方向1的线和方向2的线具有各自灰度级的高斯分布这一事实，曲线被反褶积成三个高斯曲线。
方向1的线和方向2的线被认为是各自的均质材料。
因此，曲线120可以揭示环氧基质、方向1的线和方向2的线(或纬线和经线)的各自贡献。这三种贡献是给出标记122、124和126的高斯曲线。在该示例中，方向2的线具有最大的贡献。这两种类型的线具有高于基质的灰度级。
通过对在这三条高斯曲线122、124和126每条内的像素点的数量求和，可以获得由基质所占据的体积，由纬线占据的体积以及由经线占据的体积，并且通过采取该比值，可以获得在研究中的物品100的体积内的线的体积分数，被写作V线，该线的体积分数比当使用图1和图2的方法获得的精度更大，以及也可能获得经线和纬线之间的比值(经/纬比)。
已经进行了由复合材料制成的参考均匀样本的先前研究，所述复合材料包括环氧树脂基质和处于不同纤维分数的碳纤维。该研究包括使用参考图1和图2(或图3和图4)所述的断层扫描和反褶积，以及同样溶解样品以确定其纤维分数。因此，对于这些参考样品，材料内总体纤维分数Vf已知为线的纤维分数。
发明人已经特别地发现，在材料内纤维分数Vf为54％-64％的范围，线的纤维分数与材料内纤维分数Vf成比例。
在该关系是线性的范围内，以及同样在该范围外，对于研究中的给定物品100的体积，先前研究可以从通过使用断层扫描和反褶积的研究所获得的线的分数可以推断出总体纤维分数Vf。
图5示出了图3和图4的实施方式的变型的外观。除了在物品100的整个体积上研究灰度级的分布，对于物品体积的每个截面(或很小厚度的子体积)研究这种分布，如使用断层扫描***可以看出的。通过它们沿轴线偏移的值识别截面，对于具有3厘米(cm)尺寸的物品，所述值沿图5中的横坐标轴绘制，以毫米作为刻度。
对于每个截面，曲线被反褶积成三个高斯曲线。因此，在曲线110内揭示了环氧树脂基质和纬线以及经线的各自贡献。获得了在研究中的截面内的线的体积分数V线以及由曲线510和520表示的纬线和经线体积分数，扇区内的线的体积分数V线以曲线500的形式表示。
从曲线500、510和520，可以提取在经线列dc和纬线列dt之间的距离。当这些参数恒定时，这可以通过傅里叶变换完成，以确定在曲线500、510和/或520内的波动(或“波”)频率。如果列之间的距离不恒定，可通过测量曲线500、510和520的波峰之间的距离来获得信息。
图6示出了本发明的第三实施方式。这涉及物品300的体积的三维(3D)成像，通过例如使用选定颜色显示具有由一个或两个阈值限定的范围的灰度级的像素点，所述一个或两个阈值为用于基质的预期值的，和用于线的预期值的，或者当使用图3的设置时，可以为用于纬线或经线的预期值的函数。因此可以在图像中准确地遵循给定线，以及从而确定其用于收缩(θ)和波形的参数。
在一个变型中，获得了用以如下方式被定位的物品300的图像，其中经线和纬线相对于旋转轴线以45°定向。从而经线和纬线在完整的旋转中总体上以相同方式穿过X射线。仅出现两个高斯曲线，如图2所示。
在另一变型中，旋转轴线与垂直于编织平面的方向对齐(垂直于经线和纬线)，而且这些经线和纬线再次在完整的旋转中总体上以相同方式穿过X射线。仅出现两个高斯曲线，如图2所示。
本发明有利地应用到对于航空应用的由复合材料制成的完整结构，特别地为航空发动机部件，如可作为整体研究而不在先前切断样品的叶片或壳体。
本发明并不局限于所描述的实施方式，但延伸到位于权利要求范围的限制内的任何变型。

Claims (13)

1.一种用于表征由具有编织、编结或缝制的纤维增强件的复合材料制成的物品(100)的表征方法，所述方法包括使用X射线断层扫描(图1；图3)以确定所述物品的至少一部分的灰度级(110；120)的确定步骤，其次是通过至少区分自由基质(112；122)和与所述基质混合的纤维的线(114；124，126)而利用所述灰度级以获得关于织物信息(Vf；经/纬比；dc，dt；θ)的利用步骤，所述线被认为是均质的材料。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其中，物品(100)绕与物品的纤维方向(1)平行的轴线(X)旋转实施所述确定步骤，以及通过区分自由基质(122)与纬线(124)以及经线(126)实施所述利用步骤。
3.根据权利要求1或2所述的表征方法，其中，所述利用步骤包括确定灰度级(110)的分布，然后在所述分布中反褶积至少两个高斯曲线(112、114；122、124、126)，以确定线的体积分数(V线)。
4.根据权利要求3所述的表征方法，其中，所述利用步骤也可借助于在材料内纤维分数(Vf)和线的体积分数(V线)之间的预定关系实施。
5.根据权利要求3或4所述的表征方法，其中，所述利用步骤包括反褶积至少三个高斯曲线(122、124、126)，以确定所述纬线的体积分数和所述经线的体积分数，以及在纬纱纤维和经纱纤维之间数量的纬/经比。
6.根据权利要求3到5任一所述的表征方法，其中，所述利用步骤包括确定所述物品的连续截面的灰度级分布(图5)，并通过应用傅里叶变换或通过测量所述连续截面的波峰间距离获得编织列(dc，dt)之间的距离。
7.根据权利要求1到6任一所述的表征方法，其中，所述利用步骤包括在作为灰度级函数的所述物品的图像中显示线(图6)。
8.根据权利要求7所述的表征方法，其中，在作为灰度级函数的图像中区分所述经纱和所述纬纱。
9.根据权利要求7或8所述的表征方法，其中，确定了线的收缩角(θ)或波形参数。
10.根据权利要求1到9任一所述的表征方法，其中，所述纤维增强件通过纤维编织和构成，所述纤维由碳或其它材料制成。
11.根据权利要求1到10任一所述的表征方法，其中，材料的基质为有机的、金属的或实际上陶瓷的。
12.根据权利要求1到11任一所述的表征方法，其中，所述物品是涡轮喷气飞机的部件。
13.根据权利要求1到12任一所述的表征方法，其中，所述物品是完整结构或样本。
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