Применение акустической микроскопии для изучения упругих свойств и микроструктуры композитных материалов, армированных углеродными волокнами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Лю Сунпин

ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ И МИКРОСТРУКТУРЫ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ

01.04.06. - Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-матиматических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской Академии наук и Пекинском институте авиационных технологий, Китайская Народная Республика

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

Левин В.М.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, проф.

доктор физико-математических наук, проф.

Пустовойт В.И. Карабутов А.А.

Ведущая организация: Институт радиотехникии электроники РАН

Специализированного диссертационного совета Д 501.001.67 при физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, д.1, стр.2, физический факультет.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «_»_2004г.

Ученый секретарь

Специализированного диссертационного совета,

доцент А. Ф.Королёв

Защита состоится «_» июня 2004 г. в.

часов на заседании

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1. Актуальность

Углепластики принадлежат к классу армированных композитных материалов, чьи упругие и прочностные свойства определяются не только свойствами составляющих компонент - матрикса и армирующих элементов; но и пространственной структурой, образованной армирующими элементами в теле матрикса. Материал состоит из микроскопических слоев (100-150 мкм), которые формируются в виде упорядоченных структур из углеродных нитей (пучков углеродных волокон) в виде листов углеродного препрега, получаемого однослойной параллельной упаковкой нитей, или ткани из переплетённых нитей, погружённых в полимерную матрицу. Механические свойства углепластиковых композитов отличаются от свойств их компонент -матрицы и углеродных волокон; и находятся в тесной взаимосвязи с их структурной организацией. Различные варианты пространственного упорядочения армирующих волокон приводят к вариациям этих свойств в широком диапазоне. Благодаря существенной анизотропии углеродных волокон и огромному различию в упругих свойствах структурных элементов -изотропной полимерной матрицы и анизотропного волокна, углепластиковые ламинаты обладают высокой упругой анизотропией. Степень анизотропии зависит от ориентации углеродных волокон, типа упаковки углеродных нитей внутри каждого слоя, характера пространственной упаковки слоев - типом и взаимной ориентацией слоев в пачке.

Появление армированных композитных материалов открыло путь к созданию конструкционных материалов с заранее предписанными свойствами. Исследования в области фундаментальных проблем механики композитов -принципов формирования упругих и прочностных свойств посредством управляемого упорядочения армирующих волокон; установления взаимосвязи между свойствами отдельных компонент, их пространственной организацией и механическими характеристиками материала в целом; механизмов разрушения и образования дефектов в свободном состоянии и в процессе нагружения должны основываться на эффективных методах измерения механических характеристик материала и наблюдения его внутренней микроструктуры. Многочисленные области практического применения армированных углепластиков требуют эффективных методов неразрушающей оценки их микроструктуры и свойств, методов дефектоскопии достаточно

высокого разрешения для выявления дефектов малых размеров в объеме материала или изделия.

Существуют разнообразные методы, позволяющие характеризовать микроструктуру углепластиков на поверхности образцов - оптическая, электронная и атомно-силовая микроскопия, рентгеновские методы и др.. Однако эти методы не позволяет наблюдать структуру в объёме композита. Объемная структура является принципиальной для углепластиков. Пространственная упаковка структурных элементов - углеродных волокон, пучков волокон, нитей и лент из них; может сильно различаться от слоя к слою. Наличие межслоевых промежутков и карманов полимерного связующего, а также скрытых в объёме дефектов — межслоевых отслоений, нарушений сплошности, микротрещин; характерно для структуры углепластиковых ламинатов. Ультразвуковые методы оказываются мощным инструментом для исследования структурных особенностей углепластиков и, одновременно, для измерения и характеризации их упругих свойств. Ультразвуковое излучение в широком диапазоне частот достаточно глубоко проникает в объем материала; отраженное или прошедшее излучение может быть использовано для получения данных о скорости звука для различных акустических мод (объёмных и вытекающих поверхностных) или для визуализации его структуры и наблюдения дефектов в объеме образца.

Характер распространения звука через структурированную среду существенно зависит от соотношения между длиной ультразвуковой волны и характерными размерами структурных элементов среды; соответственно с ним меняются цели и задачи ультразвуковых исследований в армированных углепластиках. На частотах до 10-20 МГц длина волны ультразвукового излучения значительно превышает характерные размеры элементов структуры. Излучение не чувствует микроструктурных составляющих, и композит воспринимается им как однородная, в общем случае анизотропная, структурированная среда. Ультразвуковые методы на этих частотах широко используются для измерения упругих и вязких параметров композитного материала как целого и в промышленном неразрушающем контроле для обнаружения крупномасштабных дефектов.

На более высоких частотах 5 0 - 1 00 МГц углепластиковый ламинат воспринимается как система анизотропных слоев, на границах которых ультразвуковое излучение испытывает отражение и преломление. Ультразвуковое излучение на этих частотах может использоваться для

характеризации структурных единиц ламината - слоев, пучков углнродных волокон, углеродных нитей, лент и т.д. Особый интерес вызывает возможность применения фокусированного высокочастотного ультразвука для проведения локальных измерений, в т.ч. для характеризации упругих свойств отдельных элементов структуры композита. Данные об упругих свойствах отдельных элементов структуры в совокупности с; интегральными характеристиками композита в целом позволяют оценивать взаимосвязь между микроструктурой материала и его упругими свойствами.

Перемещение фокусированного пучка по поверхности образца и регистрация отраженного сигнала в каждой точке области сканирования позволяют формировать акустические изображения микроструктуры образца (сканирующая акустическая микроскопия). Применение ультракоротких (1-2 колебания) зондирующих импульсов высокочастотного ультразвука (импульсная акустическая микроскопия) позволяет визуализировать микроструктуру как на поверхности образца, так и на определенной глубине в его объеме, послойно просматривать многослойную структуру углепластикового композита, характеризовать её дефектность и распределение этих дефектов как внутри отдельного слоя, так и в объёме материала. Методы акустического видения высокого разрешения обладают уникальными возможностями для получения данных о внутренней микроструктуре непрозрачных материалов. Поэтому развитие ультразвуковой техники визуализации высокого разрешения представляется актуальной задачей.

1.2. Цель работы

Цель диссертационной работы заключалась

— в изучении взаимодействия импульсного высокочастотного звука с упорядоченно организованными композитными средами на примере композитов, армированных углеродными волокнами;

— в разработке принципов использования такого взаимодействия для характеризации упругих свойств и микроструктуры упорядоченных композитных сред в целом и их отдельных структурных элементов;

— в создании новых эффективных ультразвуковых методов для наблюдения объемной микроструктуры углепластиковых композитов, включая ориентацию углеродных нитей внутри слоев, распределение полимерного связующего по материалу, совершенство адгезивных прослоек между слоями препрега или углеродной ткани;

— в развитии новых методов неразрушающего контроля, основанных на принципах акустической микроскопии, для оценки дефектности композитного материала, включая обнаружение макро- и микродефектов, выявление их топологии и пространственного распределения в объёме материала.

1.3. Научная новизна работы

Представленные в диссертационной работе результаты являются новыми.

Впервые разработаны ультразвуковые методы высокого разрешения для характеризации микроструктуры упорядочений структурированных композитных сред. Методы основаны на применении высокочастотных фокусированных ультразвуковых пучков с малой угловой апертурой.

Впервые исследовано взаимодействие коротких импульсов фокусированного ультразвука со слоистой структурой. Изучено формирование эхо импульсов в углепластиковых ламинатах на различных типах границ в объеме материала.

Впервые микроакустическая техника, основанная на применении ультракоротких импульсов фокусированного высокочастотного ультразвука, была использована для локальных измерений скорости продольного звука для различных ориентаций углепластикового композита, в том числе для измерения скорости вдоль отдельных микрослоев в составе ламината.

Впервые измерены скорости звука для различных направлений в микрослоях углеродных волокон и оценена упругая анизотропия таких слоев.

Впервые изучены механизмы формирования деталей пространственной структуры углепластиковых композитов. Получены принципы отображения упаковки углеродных волокон внутри отдельного слоя ламината, принципы формирования изображений межслойных адгезивных границ и отображения неоднородного распределения связующего по объему композита.

Впервые предложены принципы выявления на акустических изображениях деталей, соответствующих структурным дефектам (загибам и складкам отдельных слоев, неоднородному распределению связующего, межслоевым отслоениям), нарушениям сплошности и включениям в объеме углепластиковых ламинатных структур.

1.4. Практическая значимость работы

Результаты работы показывают, что применение высокочастотных фокусированных ультразвуковых пучков с малой угловой апертурой является высокоэффективным методом для неразрушающего контроля микроструктуры

и упругих свойств углепластиковых композиционных материалов и изделий из них. Результаты, полученные в данной работе, создают основу для применения микроакустических методов высокого ргзрешения как для лабораторных исследований, так и в производственных условиях. К наиболее значимым для практики результатам работы относятся: методы характеризации локальных упругих свойств и анизотропии углепластиков различного типа, методы получения акустических изображений пространственной структуры углепластиковых композитов и принципы интерпретации этих изображений, методы визуализации и классификация дефектов, характерных для структуры углепластиковых материалов различного типа.

1.5. Личный вклад

Работа выполнялась в лаборатории акустической микроскопии ИБХФ РАН и Пекинском Институте авиационных технологий под руководством зав. лаб. акустической микроскопии, к.ф.м.н. Левина В.М. Автором самостоятельно поставлена и решена задача, связанная с визуализацией микроструктурных особенностей различного типа углепластиковых композитов; изучены принципы формирования акустических изображений структурированной среды. Автором предложена классификация дефектов, характерных для изучаемых композитных материалов. Автор принимал участие в изучении микроструктуры углепластиков другими методами, в том числе методами оптической микроскопии. Им самостоятельно разработаны методы характеризации упругой анизотропии композитов и проведены исследования их локальных упругих свойств. В. публикациях, выполненных совместно с другими авторами, личный вклад автора диссертации составляет не меньше половины.

1.6. Апробация работы

Результаты работы докладывались на семинарах Института биохимической физики им.Н.М.Эмануэля (г.Москва, Россия, апрель-июнь, 2001); на ежегодном конкурсе научных работ в Пекинском Институте авиационных технологий (г.Пекин, Китай, сентябрь, 2002); на ежегодном осеннем съезде Американского материаловедческого общества (MRS Fall Meeting, Boston, США, ноябрь 2001 г.), на международной конференции по ультразвуковой визуализации «27h International Acoustical imaging Symposium» (г.Саарбрюкен, Германия, апрель 2003); на 8-ой национальной конференции по

неразрушающему контролю (г.Сучжоу, Китай, сентябрь, 2003), на ежегодном конкурсе научных работ ИБХФ РАН (г.Москва, Россия, март, 2004).

1.7. Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, список которых приведён в конце реферата.

1.8. Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав (две первые являются обзорными), заключения и списка литературы. Общий объём диссертации -176 страницы, 90 рисунков и 17 таблиц. Список литературы содержит 53 источников.

1.9. Выносимые на защиту положения

Результаты экспериментального и теоретического исследования взаимодействия ультракоротких импульсов фокусированного высокочастотного ультразвука со слоистой структурой армированных углепластиков, механизм формирования эхо импульсов от различных элементов структуры композита и от дефектов; механизмы акустического контраста.

Методика и результаты исследования упругих свойств и упругой анизотропии углепластиковых композитов различного типа; измерение локальных упругих характеристик с помощью методов, основанных на использовании импульсного высокочастотного фокусированного ультразвука.

Методы трёхмерной микроакустической визуализации, используемые для характеризации микроструктуры армированных композитов, изучения морфологии и топологии дефектов, характерных для различных типов структуры.

Принципы интерпретации акустических изображений объемной структуры углепластиковых ламинатов.

Результаты изучения особенностей микроструктурной организации различных типов углепластиковых ламинатов, включая одно-, дву- и многонаправленные углепластики, тканые углепластики.

Результаты изучения дефектов, характерных для различных типов углепластиков, микроакустическими методами.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и кратко изложено содержание работы.

Глава 1 посвящена обзору структурной организации композитов, их механических свойств, и описанию ультразвуковых методов, используемых в настоящее время для характеризации этих материалов.

В параграфе 1.1. даются основные сведения о принципах формирования и структуре углепластиков. Упорядоченная структура, образованная из пучков (нитей) углеродных волокон в виде однослойной параллельной упаковки или переплетения нитей погружается в полимерную матрицу, формируя плоские слои препрега или углеродной ткани. С помощью термомеханической обработки стопку таких слоев формируют в композитный материал, обладающий уникальными упругими и прочностными свойствами. В разделе приводится классификация типов упаковки углеродных пучков внутри отдельного слоя, также как упаковки слоев в композитный материал.

Механические свойства композита определяются как свойствами матрицы и армирующих элементов, так и топологией упаковки армирующих элементов. Высокая упругая анизотропия углеродных волокон определяет анизотропные свойства углепластиков.

В параграфе 1.2. дано краткое описание принципов использования ультразвука для характеризации структуры и свойств углепластиковых композитов. В параграфе 1.3. приведется основные данные об упругих свойствах углепластиковых композитов и их симметрии. Приводится обзор ультразвуковых методов, применяемых для измерения скоростей упругих волн и упругих свойств углепластиковых композитов. Особое внимание уделяется иммерсионным ультразвуковым методам, в т.ч. методу двойного прохода и использованию линейно-фокусированных ультразвуковых пучков для измерения скоростей поверхностных и объемных акустических мод. Приводятся данные о прямом методе измерений с использованием оптоакустического возбуждения зондирующего импульса. Даются сведения об использование поверхностных и волноводных звуковых мод для измерения свойств углеродных композитов, кратко описываются резонансные методы.

Помимо измерений упругих свойств материалов ультразвук используется для обнаружения дефектов внутри непрозрачных углепластиковых композитов. В параграфе 1.4. даётся классификация основных типов

структурных нарушений в углепластиках - включений, нарушений сплошности, трещин, слоевых складок и загибов, обрывов нитей или пучков и т.д. Обсуждается влияние структурных несовершенств и микродефектов на механические свойства углепластиковых композитов. В параграфе 1.5. приведен обзор ультразвуковых методов, используемых для визуализации дефектов в объёме углепластиковых материалов. Проводится сравнение с другими методами неразрушающего контроля.

В первой главе даётся обзор достаточно низкочастотных ультразвуковых методов измерений в углепластиках. Используемый в этих методах диапазон частот не превосходит 10-20 МГц, а измеряемые скорости упругих волн соответствуют статическим значениям упругих характеристик композитов. В литературе отсутствуют публикации, посвященные исследованию взаимодействия высокочастотного (коротковолнового) ультразвукового излучения с микрослоистыми средами или использованию такого излучения для визуализации объемной структуры микрослоистой среды.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальной техники, используемой в диссертационной работе для высокочастотной ультразвуковой визуализации (акустической микроскопии), изложению принципов такой визуализации, а также использования коротких импульсов фокусированного ультразвука для проведения локальных измерений упругих свойств (микроакустическая техника). Описываются использованные экспериментальные методики. Приводятся сведения об исследуемых образцах: даётся описание структуры образцов, приводятся их характеристики.

В параграфе 2.1. даётся описание взаимодействия фокусированного ультразвукового излучения с плоскопараллельным объектом. Показано, как зависят результаты взаимодействия от основных характеристик сходящихся ультразвуковых пучков — угловой апертуры и рабочей частоты.

В ^ 2.2. описаны принципы формирования основных типов акустических изображений - В- и С-сканов. Фокусированный пучок создается в иммерсионной среде (вода, ртуть и др.) фокусирующим излучателем (акустической линзой). Пучок отражается от объекта, помещаемого в фокальную область. Регистрация эхо сигналов, отраженных от границ объекта, а также от деталей его внутренней структуры, дает возможность получать акустические изображения на различной глубине. Положение плоскости изображения контролируется электронным образом с помощью т.н.

электронных ворот, которые осуществляют прием эхо импульсов с заданной глубины в объеме образца.

При одномерном сканировании линзовой системы сигналы, принятые с различной глубины, образуют акустическое изображение поперечного сечения объекта плоскостью, перпендикулярной к его передней поверхности (В-скан). По оси абсцисс на В-сканах откладывается пространственная координата вдоль направления сканирования, по оси ординат — время пробега пробного импульса до препятствия и обратно. Глубина сканирования управляется электронными воротами. В-сканы представляют собой пространственную развертку эхограмм вдоль направления одномерного сканирования акустического объектива и состоят из пространственных траекторий эхо сигналов.

С-сканы формируются при двухмерном сканировании линзовой системы. Величина эхо сигнала внутри электронных ворот в каждой точке области сканирования отображается на экране дисплея в виде градаций серого. Совокупность точек разной интенсивности на экране формирует полутоновое акустическое изображение структуры на определенной глубине внутри объекта. Глубина задается величиной времени задержки, устанавливаемой положением электронных ворот. Описываются принципы трёхмерной визуализации объёмной микроструктуры углепластиков, т.н. томографический режим акустической визуализации высокою разрешения или Т-сканирование.

Обсуждается связь между параметрами акустических изображений -разрешением по глубине, латеральным разрешением; и характеристиками зондирующего сигнала - рабочей частотой и длиной ультразвукового импульса, угловой апертурой фокусированного пучка.

Раздел 2.3. посвящен описанию количественных микроакустических методов. Интервалы между эхо импульсами соответствуют времени двойного пробега зондирующего ультразвукового сигнала между соответствующими отражателями. Измерение временных интервалов между импульсами, отраженными от передней и задней стенки плоскопараллеьного объекта позволяет получать локальные значения звуковых скоростей (продольных и поперечных) и, соответственно, упругих модулей в малых областях образца (диаметр ультразвукового пятна 80 мкм на рабочей частоте 50 МГц). Микроакустические методы используются для измерений упругих свойств малых образцов и включений, для измерений локальных значений упругих характеристик в неоднородных и многофазных объектах, для отображения

распределения упругих свойств по неоднородному объекту, для измерений упругих свойств низкоразмерных систем- пленок, фольг т.д.

В разделе 2.4. приведена схема установки - отражательного импульсного акустического микроскопа. Использованный акустический микроскоп позволил измерять времена задержки эхо-сигналов и получать одномерные, двумерные акустические изображения - В-сканы и С-сканы. Здесь же приводятся сведения об исследуемых образцах армированных углепластиков различного типа; даётся описание структуры образцов, приводятся их характеристики.

Глава 3 посвящена использованию техники импульсного фокусированного высокочастотного ультразвука для измерения локальных и интегральных значений акустических и упругих характеристик армированных углепластиков и их отдельных структурных компонент. Развиты модификации микроакустического метода для измерения звуковых скоростей и упругих модулей в малых структурных элементах, интегрированных в структуру композитного материала, в свободных низкоразмериых компонентах структуры — элементарных слоях углепластикового препрега. Метод используется также для определения акустических характеристик слоистой структуры в целом и их распределения по объему образца.

Глава включает теоретический анализ особенностей распространения импульсов высокочастотного (коротковолнового) ультразвукового излучения в слоистых системах поперек и вдоль слоев. Глава содержит результаты измерений звуковых скоростей и упругих постоянных в отдельных структурных единицах армированных углепластиков - полимерного связующего и слоях углеродного препрега. Представляются результаты измерений и сравнительного изучения звуковых скоростей в углеродных ламинатах с различными принципами упаковки составляющих слоев.

В разделе 3.1. рассматриваются принципы интерпретации ультразвуковых измерений в углепластиковых ламинатах в зависимости от соотношения между длинной звуковой волны и характерной толщиной слоев ламината. В длинноволновом пределе описание распространения звука традиционно основывается на представлении об эффективных модулях упругости ме.ткослоистой среды. Звуковая волна распространяется в композите как в однородной, но структурированной среде; её скорость выражается через эффективные модули ламината. Этот подход обычно используется для

интерпретации данных ультразвуковых измерений в частотном диапазоне до 10-20 МГц.

В коротковолновом предел упругая волна при распространении через ламинат поперёк слоев испытывает многочисленные отражения и переотражения на границах слоев. В результате излучение, прошедшее через ламинат или отраженное от него, состоит из набора волн с различными фазовыми сдвигами, определяемыми временами задержки отраженных и переотраженных сигналов. Интерференция этих волн формирует отраженный и прошедший сигналы достаточно сложной формы. В случае ультракоротких зондирующих импульсов отраженный сигнал представляет собой серию эхоимпульсов, определяемых однократным отражением зондирующего импульса на границах раздела внутри образца; серия ограничивается импульсами, отраженными на передней и задней поверхности образца. Временной интервал между этими импульсами определяется временем прямого прохождения зондирующего импульса через образец; этот промежуток времени задатся эффективной скоростью распространения звука через ламинат. Теоретический анализ показал, что эффективные скорости звука поперек слоев в коротко- и длиноволновом пределах совпадают по величине только для ламинатов, составленных из идентичных слоев.

При распространении высокочастотного звука вдоль слоев упругая волна распространяется в каждом слое со своей скоростью, зависящей от ориентации углеродных волокон внутри слоя. В результате волна выходит из каждого слоя со своим временем задержки. Этот эффект позволяет использовать зондирующий пучок фокусированного ультразвука для измерения скоростей упругих волн в отдельных слоях ламинатной структуры.

Для интерпретации результатов измерения акустических и упругих характеристик композитной среды, для изучения механизмов формирования акустического контраста при визуализации объёмной структуры углепластиков, для развития принципов интерпретации их акустических изображений (В- и С-сканов) особый интерес представляют данные об упругих и акустических свойствах отдельных компонент структуры углепластиковых композитов - полимерного связующего (матрицы) и отдельных армирующих слоев препрега или углеродной ткани.

Параграф 3.2. посвящен экспериментальному изучению упругих свойств отдельных элементов структуры углепластика. Методы акустической

микроскопии позволили измерить скорости объёмных акустических волн в образцах полимерного связующего и отдельных слоях армирующих волокон.

Для бисмелеимидной смолы, используемой в качестве связующего компонента в изучаемых углепластиках, были измерены скорости продольных и1 и поперечных ^ объёмных акустических волн - 2,71 км/с и 1,67 км/с, соответственно. В совокупности с независимыми измерениями плотности (р=1,24 г/см3) эти данные позволили рассчитать значения объёмного К = 6,68 ГПа и сдвигового G = 3,46 ГПа упругих модулей, а также компонент матрицы упругих коэффициентов Сц = 11,29 ГПа, С[2 = 4,37 ГПа, С44 = G = 3,46 ГПа и коэффициента Пуассона |Д. = 0,28.

Микроакустическими методами выполнены измерения упругих свойств свободных армирующих слоев углеродного препрега толщиной Скорость продольного звука поперёк слоя из параллельно упакованных углеродных волокон составляет 3,20±0,06 км/с. Те же измерения, выполненные для образцов толщиной 380 мкм, составленных из препрегового слоя помещенного в бисмелеимидную смолу, показали, что

имеется заметное различие между свойствами чистого армирующего слоя углеродных волокон и свойствами слоя погруженного в полимерную матрицу. Значения скорости продольного звука для «сэндвичевой» системы = 3,04 км/с оказываетсяпромежуточным между ее значениями для чистых компонентов - полимерной материцы и армирующего слоя. Очевидно, что содержание связующего компонента влияет на упругие характеристики композитных слоев и ламината в целом. Поэтому данные по скорости звука могут быть использованы для оценки содержания связующего в композитном материале.

Параграф 3.3. содержит результаты измерения скорости распространения продольного ультразвука в углепластике перпендикулярно армирующим слоям для ламинатов раличного типа — однонаправленных, бинаправленных, мультинаправленных, а также для композитов с дополнительным адгезивным слоем связующего и для тканых ламинатов. Основной целью исследования было изучение влияние упаковки и ориентации слоев на упругие характеристики армированного углеродными волокнами композитного материала.

Результаты показывают, что значение скорости продольных акустических волн сильно варьируется (Табл.1) и существует очевидная взаимосвязь

между значениями скорости и содержанием связующего компонента в композите. Существенное снижение величины характерно для тканных ламинатов, где вследствие сложной топологии армирующих слоев увеличивается содержание связующего компонента (бисмелеимидной смолы), а также для ламинатов, структура которых содержит дополнительные адгезивные слои. Полученные данные свидетельствуют о том, что измерения скорости распространения ультразвука в ламинате оказывается эффективным методом для того, чтобы оценивать содержание в нем связующего компонента. Микроакустические методы могут использоваться как для интегральных оценок, так и для локальных измерений и нахождения неоднородностей распределения связующего.

Таблица 1. Измеренные значения продольной скорости звука и^ Б

углепластиках различного типа

Материал Направление ис, км/с

ООМо.З 2.98 ±0.06

Однонаправленные ламинаты Поперек слоев 00№>.4 3.21+0.06

ООИоЛО 3.14 ±0.06

N0.1 3.22 ±0.06

Ортогонально направленные ламинаты Поперек слоев N0.2 3.10 + 0.06

N0.4 3.27 + 0.06

Многонаправленный ламинат Поперек слоев 3.03 + 0.06

Тканый ламинат с плоским плетением Поперек слоев 3.10 ±0.06

Однонаправленный ленточный ламинат Поперек слоев 3.28 ±0.06

Основываясь на измеренных значениях звуковых скоростей в отдельных компонентах структуры ламината — полимерном связующем и слое препрега;

выполнены теоретические оценки для скорости звука поперёк слоев для композитов, содержащих промежуточный слой связующего,. Оценки показывают, что существует различие в значениях , характерных для длинно- и коротковолнового пределов. Для коротковолнового предела теоретическое значение скорости звука хорошо согласуется со значениями, экспериментально наблюдаемыми в образцах однонаправленного и мультинаправленного углепластикового ламината с промежуточным слоем связующего.

Показано, что, базируясь на данных о скорости звука, характерных для отдельных структурных элементов углепластикового композита, оказывается возможным рассчитать геометрические характеристики структуры углепластика со сложной топологией или упаковкой слоев с помощью осцилограммы эхо импульсов, регистрируемой акустическим микроскопом.

Раздел 3.4. посвящен изучению упругих характеристик вдоль армирующих слоев углепластикового ламината. Эксперименты выполнены на образцах двунаправленного углепластика прямоугольной формы с размерами

Микроакустическими методами были измерены скорости продольных ультразвуковых волн для различных ориентации - вдоль и поперёк слоев ламината, вдоль и поперёк армирующих волокон внутри слоев. Измерения вдоль слоев выполнялись для ориентации образца, при которой зондирующий пучок распространяется вдоль слоевой упаковки, т.е. параллельно слоям. Эксперименты основывались на применении высокочастотных 50 МГц) фокусированных звуковых импульсов для измерения локальных значений скорости звука с латеральным

разрешением 2-3 длины волны (-80-!- 100ц). Двунаправленная структура образца

углепластика использовалась для

измерений скорости

Рис 1. Схема измерения скоростей звука для различных направлений внутри двунаправленного композита.

вдоль упаковки углеродных волокон в слое и поперек им в соседних слоях различной ориентации (Рис.1). Измерения скорости внутри индивидуальных, формирующих композит слоев проводились на частоте 50 МГц для того, чтобы обеспечить необходимое латеральное разрешение и длину фокальной области.

Измерения показали высокую упругую анизотропию как армирующих слоев углеродных волокон, так и структуры композита в Значение скорости в направлении перпендикулярном слоям ламшата является близким к значению скорости, полученному для отдельного армирующего слоя ии = 3,19+0,06 км/с. Значение скорости вдоль слоён, но также перпендикулярно оси углеродных волокон, оказывается значительно выше:

= 6,70±0,14 км/с.

Наибольшее значение скорости звука характерно для направления вдоль слоев совпадающего с осью волокон:

уи = 9,18±0,18 км/с.

Таблица 2. Продольная скорость звука в структурных единицах углепластиков

Материал Направление км/с

Пластинка полимерного связующего (бисмалеимидной смолы) 2.71 ±0.05

Свободный слой препрега Поперек слоя • 3.20 ±0.06

Свободный слой препрега, погруженный в пленку из полимерного связующего Поперек слоя 3.04 ±0.06

Поперек слоев 3.19 ±0.06

Ортогонально направленный ламииат Поперек укладки волокон в слое 6.70 ±0.14

Вдоль углеродных волокон 9.18 + 0.18

Из полученных данных о скоростях звука могут быть расчитаны значения упругих констант для отдельных микронных слоев внутри

структуры композита: С„= 134.66СРа, С12=71.82СРаи С33= 16.28 вРа.

Данные о скорости звука, характерной для основных структурных элементов углепластикового композита приведены в сводной табл. 2. Эти данные дают основу для изучения механизмов формирования акустического контраста на изображениях структуры углепластиков и развития основных принципов интерпретации акустических изображений (В- и С-сканов).

Выполненные измерения демонстрируют большой потенциал микроакустических методов для измерения упругих и акустических свойств малоразмерных объектов, для структурированных сред со сложной пространственной упаковкой структурных элементов.

Был предложен оригинальный метод визуализации распределения слоев по ориентации в них волокон. В случае распространения зондирующего импульса вдоль слоев, время его двойного пробега через образец варьируется от одного слоя к соседнему в зависимости ст ориентации углеродных волокон в нём. Таким образом, эхо импульсы, отраженные от разных зон задней поверхности образца обладают различным временем задержки и занимают различную позицию на временной шкале осциллограммы для двунаправленной и двунаправленной структуры ламината. С помощью электронных ворот, которые контролируют выборку отображаемого сигнала можно визуализировать распределение слоев с определенной упаковкой углеродных волокон.

Глава 4 посвящена разработке микроакустических методов визуализации объёмной микроструктуры и дефектов в ламинатных композитах, сформированных из слоев препрега. Глава включает общее обсуждение принципов акустической визуализации структурных элементов композита, экспериментальные результаты трёхмерной визуализации ламинатов различного типа и принципы интерпретации акустических изображений, основанные на особенностях взаимодействия коротких импульсов фокусированного ультразвука со слоистой средой углеродного композита и его структурными элементами. Результаты главы обеспечивают основу для эффективной техники неразрушающей оценки углепластиковых композитных материалов.

Раздел 4.1. включает обсуждение механизмов формирования акустических изображений для различных элементов внутренней микроструктуры

углепластика. Оцениваются возможность визуализации отдельных структурных элементов и различного типа внутренних дефектов в объеме образца и рассматриваются возможные механизмы акустического контраста для них.

Акустические изображения объёмной микроструктуры углепластикового ламината формируются с помощью эхоимпульсов, отраженных от границ раздела между структурными компонентами внутри образца. Частотный диапазон 25—100 МГц использовался, чтобы обеспечить эхо от границ между полимерным связующим и армирующими элементами композита — слоями препрега, пучками углеродных волокон, нитями, отдельными прядями волокон в пучках. Акустические изображения внутренней микроструктуры ламинатов обычно формируются с помощью импульсов продольных упругих волн, возбуждаемых в образце падающим излучением. Очевидно, что визуализируемыми элементами структуры углепластика является границы раздела "полимерное связующее - углеродный армирующий слой" и «сэндвичевая» структура, включающая тонкий адгезивный слой связующего между соседними слоями препрега. Данные об упругих свойствах связующего компонента и отдельных армирующих слоях препрега, измеренные микроакустическими методами и приведенные в главе 3, использовались для оценки эффективности отражения продольных упругих волн от этих элементов. Показано, что эффективность отражения от границы раздела между двумя слоями углеродного препрега критически зависит от толщины промежуточного связующего слоя d - эффективность отражения падает по мере того, как толщина адгезивного слоя возрастает до величины сравнимой с длиной звуковой волны Ящ в слое. Когда толщина слоя значительно превышает длину волны отражение от сэндвичевой структуры распадается на

независимые отражения на каждой границе связующего слоя (Рис.2). Резонансные эффекты отсутствуют из-за малой величины рассогласования акустических импедансов на границе раздела «армирующий слой-полимерное связующее» и значительной величины ультразвукового затухания. Это означает, что переотражения внутри отдельных слоев и, соответственно, повторные эхо сигналы от границ отсутствуют. Отражение от межслоевых границ раздела дает возможность визуализировать упаковку слоев внутри ламината.

И(мкм) ■

Рис. 2. Коэффициент отражения в случае тонкого слоя

связующего, между композитными слоями. Зондирующее излучение распростроняется поперек слоев композита.

Зависимость коэффициента отражения от толщины межслоевого адгезивного слоя объясняет механизм формирования акустического контраста, отображающего плотность укладки слоев ламината без нарушения сплошности композитной среды и образования межслоевых отслоений. Микрорельеф углепластиковых слоев, обусловленный формой и укладкой углеродных прядей, также обеспечивает локальные вариации толщины связующего слоя и позволяет наблюдать ориентацию упаковки углеродных нитей и волокон внутри отдельных слоев композита. Заметное увеличение толщины связующего слоя ведет к существенному возрастанию эхо сигнала, отраженного от межслоевой границы в области утолщения слоя. Этот механизм формирования акустического контраста особенно ярко наблюдается в тканых углепластиках. Он также существенен для отображения дефектов упаковки слоев - локальных складок и сборок слоев, а также несовершенств самих углеродных нитей и их разрывов. В всех этих случаях акустический контраст формируется за счет локального увеличения межслоевого расстояния или образования дополнительных "карманов" связующего.

Для углепластиковых ламинатов характерно также наличие дефектов, традиционно наблюдаемых в большинстве композитных материалов, таких

как нарушения сплошности среды - отслоения, трещины различной ориентации и т.п., и инородные включения. Механизм формирования акустического контраста для такого типа структурных несовершенств является хорошо изученным, он основывается на большом различии акустических импедансов композитного материала и такого типа дефектов. Раздел 4.1. включает краткое описание особенностей визуализации такого типа дефектов, наблюдаемых в структуре углепластиков. Обсуждается механизм формирования зон тени (теневой эффект), образованых протяженными дефектами на акустических изображениях.

Результаты, полученные в 4.1., используются в последующих параграфах работы для развития принципов интерпретации послойных акустических изображений углепластиковых композитов.

В разделе 4.2. содержатся результаты экспериментального исследования микроструктуры различного типа препрстовых углепластиковых ламинатов. Приведены детали экспериментальных методов и особенности их применения для визуализации структуры композитов на основе препреговых армирующих слоев. Для визуализации структуры образцов на различной глубине использовался режим последовательного С-сканирования (Т-сканирование). Ширина электронных ворот, контролирующих толщину визуализируемого слоя, уставливалась минимальной не) для того, чтобы отображать

переход от одного ламинатного слоя к соседнему (толщина визуализируемых слоев оказывается ~60»-120 мкм). Набор последовательных изображений использовался для реконструкции трехмерной структуры изучаемых образцов. Послойное отображение структуры на различной глубине дополняется В-сканами - изображениями поперечных сечений изучаемых образцов либо сериями В-сканов, последовательно отображающих структуру материала в соседних поперечных сечениях. Для того, чтобы оценить глубину залегания наблюдаемого на изображениях элемента структуры, используется режим осциллографа - глубина определяется но времени задержки эхоимпульса, отраженного от наблюдаемого элемента.

Разделы 4.3. и 4.4. посвящены экспериментальному изучению различного типа микродефектов, характерных для армированных ламинатных композитов, и изучению возможности применения микроакустических методов высокого разрешения для неразрушающей оценки и характеризации структуры углепластиков с различной топологией слоистой упаковки армирующих слоев.

Акустическая визуализация микроструктуры однонаправленных ламинатов является предметом исследования в разделе 4.3. Были исследованы образцы трёх видов структуры: 1) чистый ламинат; 2) композит, содержащий дополнительный промежуточный адгезивный слой полимерного связующего, 3) однородно упакованный ламинат с искусственно введенными в его структуру дефектами - межслоевыми отслоениями и трещинами.

Серии последовательных акустических изображений (Т-сканов) отображают трёхмерную структуру образцов, начиная с поверхности и заканчивая дном (Рис.3). Трёхмерная микроструктура углепластиковых композитов, видимая на акустических изображениях, содержит элементы, которые можно разделить на несколько типов. Система светлых полос, которые присутствуют на большей части изображений, может быть атрибутирована как параллельная упаковка пучков и нитей углеродных волокон внутри отдельных композитных слоев. Предлагается несколько возможных механизмов формирования акустического контраста в этом случае: 1) вариации толщины слоя связующего вследствие микрорельефа поверхности армирующих слоев 2) вариации эффективности ультразвукового отражения за счет геометрических особенностей самого микрорельфа, 3) неоднородность самих пучков и наличие в них микродефектов - отслоений между волокнами, микропузырьков.

На акустических изображениях наблюдаются дефекты упаковки слоев препрега и пучков углеродных волокон внутри слоя. Светлые линии протяженные поперёк упаковки рассматриваются как складки или локальные загибы армирующих слоев во время формирования ламината. Наличие складок и загибов приводит к образованию карманов полимерного связующего. В локальных местах скопления связующего амплитуда эхо сигнала возрастает в соответствии с результатами §4.1. Хотя полимерные карманы уменьшают общий уровень прошедшего в объем излучения, они не препятствуют его распространению через композитную среду. В связи с этим для таких дефектов не наблюдается теневой эффект, как это характерно для дефектов несплошности - отслоений и трещин.

Уровень сигнала, отраженного от границ раздела между связующим и армирующими слоями является достаточным для того, чтобы на акустических изображениях поперечного сечения образцов (В-сканы) наблюдалась слоистая структура углепластикового композита. Яркость наблюдаемых линий определяется микрорельефом слоев препрега и вариациями толщины связующего слоя между ними (Рис.4).

Рис.3. Послойная визуализация (Т-сканирование) образца однонаправленного углепластика [(^адгезивный СЛОЙ1/О4], область сканирования 12x12 мм. Толщина каждого визуализированного слоя » 0.13 мм. а) и д) изображение передней и задней поверхностей образца, в) и г) изображения передней и задней границы связующего слоя.

(а) (б)

Рис.4. Акустические изображения (В-сканы) поперечного сечения однонаправленного углепластикового композита, (а) В-скан вдоль линии перпендикулярной направлению волокон; (б) В-скан вдоль линии параллельной направлению волокон. и - линии развертки эхо-импульсов, отраженных от передней и задней поверхностей образца, 1 и 2 - линии развертки эхо-сигналов от границ промежуточного адгезивного слоя, - области тени. Двойные переотражения от дефектов обозначены эллипсами.

Помимо деталей микроструктуры композита на акустических изображениях наблюдаются протяженные дефектные области: искусственно введенные в образцы отслоения, трещины и естественные дефекты адгезии на границе "связующее - армирующий слой", воздушные пузыри внутри полимерной матрицы Дефекты несплошности, из-за большой разницы в величине акустического импеданса на границах такого дефекта, являются очень хорошими отражателями и служат препятствиями распространению звука. Соответствешю, для них характерно наличие теневого эффекта.

Раздел 4 4 содержит результаты экспериментального изучения дефектной микроструктуры многонаправленных углепластиковых ламинатов. Упаковка слоев различной ориентации приво,шт к тому, что увеличивается межслоевое расстояние в упаковке. Увеличение толщины микрослоёв связующего обеспечивает повышение коэффициента отражения на межслоевых границах и улучшению акустического контраста изображений В связи с этим на Т-сканах

хорошо видна ориентация углеродных нитей в отдельных слоях, на В-сканах -упаковка слоев (Рис.5 и Рис.6). На последовательности акустических изображений локально видны яркие полосы вдоль отдельных пучков волокон, которые представляют собой локальное отслоение этих пучков, что подтверждается наличием звуковой тени в областях ниже таких полос.

Интерпретация акустических изображений, проведенная в 4.3. и 4.4. подтверждается оптическими микрофотографиями срезов поперечного сечения исследуемых образцов.

Следующая глава диссертационной работы содержит результаты экспериментального изучения микроструктуры тканных углепластиковых композитов.

В 5-й главе развиваются основные принципы использования акустической микроскопии для исследования и неразрушаюшей оценки внутренней микроструктуры тканых углепластиков. Специфические особенности формирования изображений в тканых композитах обуславливаются особенностями упаковки пучков углеродных волокон в объемную структуру ткани по сравнению с параллельной упаковкой их в плоские препреговые слои. Глава включает теоретический анализ механизмов формирования изображений и принципов их интерпретации. Рассматриваются специфические детали объемной микроструктуры тканых композитов - полимерные карманы, образуемые пучками и нитями армирующих волокон при их переплетении, так и стандартные границы раздела между слоями, составляющими ламинат. Развиваемыми методами исследуется объемная структура двух типов углепластиковых ламинатов - композитов из слоев углеродной ткани с плоским плетением- и однонаправленных ламинатов из слоев препрега, прошитых плоской полимерной нитью. В главе приводится значительное число изображений объемной структуры тканых углепластиков с их детальной интерпретацией.

В параграфе 5.1 обсуждаются принципы формирования акустических изображений тканых композитов, определяемые особенностями структурной организации этих материалов. Неплоская топология упаковки пучков углеродных волокон внутри отдельного слоя ткани обусловливают образование правильной системы промежутков между соседними слоями ткани. В готовом композите эти промежутки заполняются полимерным связующим и образуют так называемые полимерные карманы - существенный элемент структуры тканых композитов. Топологически карманы

Рис. 5. Акустические изображения мультинаправленного углепластикового композита. Область сканирования: 10x10 мм. Т— изображение на глубине мм; мм.

Рис.6. Акустические изображения поперечного сечения (В-сканы) мультинаправленного углепластика Линии развертки эхо-сигналов от отдельных слоев углепластика отмечены номерами 1-7. Области отмеченные эллипсами являются пустотами на границе адгезивного слоя. Ь1 и Ь2 - сигналы от границ адгезивного слоя; ¥ и В - сигналы от передней и задней поверхности образца

Рис. 7. Изображения поперечного сечения плоскотканного углепластика ¥ и В — сигналы от передней и задней поверхности образца.

располагаются в местах, где нити утка накладываются на нити основы. Толщина полимерного связующего в области кармана существенно превосходит толщину минимального адгезивного слоя в областях плоского контакта между пучками углеродных волокон, относящихся к соседним слоям тканого ламината. Соответственно эффективность отражения зондирующего излучения в области полимерных карманов значительно выше, чем от других участков межслоевых границ — коэффициент отражения R в области кармана достигает значений ОД 0,4.

Еще одним фактором, управляющим акустическим контрастом в тканых композитах, является наклон (или кривизна) пучков, в особенности на границах полимерных карманов. Наклон обусловлен как топологией переплетения нитей утка и основы, так специфической формой (удлиненной и закругленной) поперечного сечения пучков волокон. Совокупность этих факторов - толщины и формы полимерных промежутков между слоями углеродной ткани; и формирует структуру акустических изображений для тканых композитов.

Имеется особый случай структуры тканых углепластиков, когда в качестве основы используются ленты однонаправленного препрега, связанные полимерными нитями (например, нейлоновыми). Основным источником контраста на акустических изображениях таких композитов оказываются границы раздела между лентами препрега и полимерной скрепляющей нитью.

Изучение объемной структуры простых тканых углеродных ламинатов методами акустической микроскопии рассмотрено в разделе 5.2. Основными структурными элементами, отображаемыми на В- и С-сканах, являются полимерные карманы, распределенные по объему исследуемого образца. Взаимодействие с границами отдельного кармана приводит к отражению заметной части (3-15%, вплоть до 16%) падающей ультразвуковой энергии. Такое отражение обеспечивает приемлемый акустический контраст. Показано, что В-сканы включают многочисленные светлые полосы, соответствующие положению внутри образца границ полимерных карманов (Рис.7). Полосы демонстрируют различную ориентацию по отношению к поверхности образца, что связано с различиями в форме и ориентации самих полимерных карманов за счет изгиба нитей утка. Значение коэффициента отражения на границах полимерных карманов позволяет основной части энергии падающего излучения проходить через них, так что ни областей акустической тени ниже карманов, ни полос, отвечающих сигналам, обусловленным повторными

переотражениями на границах полимерных карманов, не наблюдается на полученных В-сканах.

Различие в эффективности отражения в областях полимерных карманов и в зонах тесного контакта между пучками углеродных волокон обеспечивает эффективный механизм акустического контраста для визуализации топологии переплетения углеродных волокон. Отдельные пучки, используемые в качестве утка и основы в углеродной ткани, хорошо различимы на С-сканах (Рис.8). Серии последовательных послойных С-сканов дают детали топологии для объемной структуры плоских тканых углеродных ламинатов, включая (1) конфигурацию и топологию ткани; (2) геометрические очертания и морфологию пучков волокон, образующих уток и основу; (3) упаковку слоев ткани в углепластиковом ламинате; (4) типологию полимерных карманов, их геометрические характеристики и распределение по объему образца.

В разделе 5.3 обсуждаются возможности использования акустической микроскопии для изучения объемной микроструктуры однонаправленных ленточных углепластиков. Основным армирующим элементом материала являются ленты однослойного препрега из углеродных волокон. Параллельная упаковка армирующей ленты обусловливает однонаправленную ориентацию композитного материала в целом; прошивающая полимерная нить (нейлон) придает материалам свойства, присущие тканым полимерам. Существенная разница в упругих характеристиках препрега и плоской нейлоновой ленты приводит к значительному отражению на границе этих материалов — для свободной границы «препрег-нейлон» оценки дают величину коэффициента отражения Я ~ 0,27. Соответственно, прошивающие полимерные нити оказываются наиболее ярким элементом изображения на В- и С-сканах (Рис.9 и Рис.10). На В-сканах они отображаются в виде отрезков ярких линий, имеющих различную форму и ориентацию по отношению к поверхности образца в зависимости от топологии укладки нитей. На С-сканах видна послойная укладка плоской прошивающей нити и, менее контрастно, параллельная упаковка лент препрега. Видны также дефекты упаковки в виде отдельных пучков волокон и складок. Величина отраженных сигналов на межслоевых границах и их дефектах существенно ниже, чем на границе углеродного препрега с полимерной нитью. Контраст, обусловленный разницей в отражении на межслоевых границах препрега и на границе препрега с прошивающей нитью, обеспечивает возможность визуализации топологии ленточных углепластиков. Акустический контраст оказывается

Рис.8. Послойное изображение тканного углепластика а) изображение поверхности б) изображение подповерхностного слоя в) осциллограмма эхоимпульсов в точке - области, не содержащей карманов связущего; г) осциллограмма эхоимпульсов в точке Рг - области, содержащей карман связущего. ¥ и В - сигналы от передней и задней поверхности образца. - эхо-сигналы, отраженные от элементов структуры, - эхо от карманов связующего. Область сканирования. мм.

Рис. 9. Осциллограмма эхо-импульсов и акустические изображения на различной глубине для прошитого однонаправленного углепластика (Область сканирования 10x10 мм). Ор - отражения от полимерных нитей прошивки, - отражения на межслоевых границах композита. р-1. — области прошивки полимерными нитями. Тх - изображение на глубине 0.13-т0.28мм; - изображение слоя на глубине 0.30т0.44 мм.

<»> о

Рис.10. В-сканы однонаправленного прошитого углепластика, (а) поперечное сечение образца вдоль напраления волокон; (б) поперечное сечение образца поперек направления волокон. ТН— полимерные нити прошивки, F и В — передняя и задняя поверхности образца.

достаточным, чтобы контролировать упаковку отдельных слоев и лент и наблюдать дефекты этой упаковки в виде складок и отдельных прядей волокон. Никаких значительных полимерных карманов при формировании ленточных тканых композитов не наблюдается - толщина плоской прошивающей нейлоновой нити оказывается недостаточной для формирования кармана при изгибе нити.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

(1) Экспериментальное исследование и теоретические оценки показали высокую эффективность использования импульсов фокусированного высокочастотного ультразвука для измерения локальных значений скоростей звука и упругих модулей в армированных углепластиках, как для материала в целом, так и для отдельных структурных единиц.

(2) Экспериментально показана возможность использования микроакустического метода для измерения упругих характеристик свободных низкоразмерных компонент армированных углепластиковых композитов -тонких пластин полимерного связующего, свободных слоев углепластикового препрега, сэндвичевой системы "слой препрега в полимерном связующем".

(3) Теоретически показано, что эффективная скорость распространения упругового возбуждения в слоистой системе поперек слоев зависит от соотношения между характерной толщиной слоев и длиной ультразвуковой волны. В высокочастотном (коротковолновом) пределе она определяется временем прохождения через каждый слой ламината в отдельности. Результаты расчета подтверждаются экспериментальными данными по измерению скорости звука поперек сэндвичевой системы и в однонаправленном ламинате с промежуточным слоев полимерного связующего.

(4) Измерение высокочастотной скорости звука в реальных системах может быть использовано для оценки важного для практики параметра - содержания полимерного связующего в углепластиковом композите.

(5) Предлагаемая методика была использована для измерения эффективной скорости поперек слоев в различных типах армированных углепластиков.

Разброс измеренных значений связан с различной

плотностью упаковки слоев в разных типах ламинатов, наличием промежуточных слоев полимерного связующего и разницей в плотности упаковки пучков волокон или углеродных нитей в разных типах материала.

(6) Показано, что возможности микроакустической техники позволяют измерять значения акустических или упругих характеристик отдельных слоев углеродного препрега или ткани внутри ламината в плоскости слоя вдоль и поперек упаковки углеродных волокон в слое. Измерения, выполненные на слоях препрега в ортогонально-ориентированном углепластике, позволили

определить скорости продольного звука в препреге вдоль волокон (и^ = 9.2 км/с) и поперек углеродных пучков (»ц. = 6.7 км/с).

(7) Экспериментально показано, что сильная анизотропия скорости продольных волн в плоскости слоя является источником сильного акустического контраста в многонаправленных композитах при поперечной ориентации образцов, когда зондирующий пучок распространяется вдоль слоев.

(8) Анализ взаимодействия зондового ультразвукового измерения с различными границами раздела внутри композитной среды показал, что отражение на границах структурных элементов среды создает эффективные механизмы формирования акустического контраста при визуализации внутренней структуры углепластиков.

(9) Теоретически изучены механизмы акустического контраста на акустических изображениях внутренней структуры углепластиков. Показано, что основным источником акустического контраста являются границы раздела между полимерным связующим и слоями упакованных углеродных волокон (препрега или ткани), свободные границы углеродных листов и межслоевые границы, представляющие собой компаунд-систему, составленные из тонкого адгезивного слоя между листами препрега.

(10) Показано, что эффективность отражения на межслоевых границах существенно зависит от толщины адгезивного слоя; коэффициент отражения Я на межслоевой границе меняется от нуля до величины Я ~ 0,3 + 0,5, соответствующей толщинам (7 15) мкм, наблюдаемым экспериментально.

(11) Получены серии последовательных акустических изображений (С- и В-сканов), позволяющих уверенно восстанавливать трехмерную структуру углепластиков, как препреговых, так и тканных, толщиной до 5-7 мм.

(12) Развиты принципы интерпретации акустических изображений углепластиковых ламинатов. Показана возможность наблюдать укладку слоев препрега на В-сканах, оценивать толщину адгезионных слоев между слоями препрега на В- и С-сканах, визуализировать дефекты укладки слоев - складки и загибы; разрывы и дефекты отдельных пучков волокон и углеродных нитгй.

(13) Показано, что особенности формирования акустических изображений тканных композитов определяются наличием карманов полимерного связующего на пересечениях нитей утка и основы.

(14) Экспериментально продемонстрировано, что последовательные акустические изображения (С-сканы) позволяют восстанавливать топологию

укладки слоев препрега или углеродной ткани, топологию и ориентацию углеродных нитей (пучков) в каждом слое.

(15) Развиты принципы интерпретации акустических изображений ленточных углепластиковых композитов, в которых ленты из углеродных нитей сшиваются плоской полимерной нитью (нейлон).

(16) Показана высокую эффективность использования акустомикроскопических методов для выявления мелкомасштабных дефектов - микротрещин, межслоевых отслоений, нарушений сплошности, включений, складок и загибов листов препрега и слоев ткани; их морфологии и распределения по материалу.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ:

[1] Songping Liu, Enming Guo, V. M. Levin, and Y. S. Petronyuk, Measuring sound velocities and anisotropy of micTostructural units of laminate composite materials by microacoustical technique, in Acoustical Imaging, Vol. 27, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic / Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, p. 199-206.

[2] Songping Liu, Enming Guo, Vadim M. Levin, Y.S. Petronyuk, Imaging of carbon-fiber-reinforced (CFR) laminates microstructure by acoustic microscopy techniques, in Acoustical Imaging, Vol. 27, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, p. 237-244.

[3] Songping Liu, Enming Guo, V. M. Levin, and Y. S. Petronyuk, Acoustic Imaging of microstructures of carbon fiber-reinforced polymer composite laminates, Materials Research Fall Meeting, 2001, Boston, USA.

[4] Vadim M. Levin, Songping Liu, Enming Guo, Bulk microstructure and local elastic properties of laminate composites studied by the microacoustical technique, Materials Research Fall Meeting, 2001, Boston, USA.

[5] Qianlin Zhang, Vadim M. Levin, Songping Liu et al, Preliminary study on morphology of in-situ hybrid composites by using acoustic microscopy, PROGRESS IN NATURAL SCIENCE, Vol. 11 Supplement, May 2001, Taylor & Francis, London and Washington, Science in China Press, p. 160164.

[6] Qianlin Zhang, Vadim M. Levin, Songping Liu et al, Acoustic microscopic testing of inertial friction welding bonds, PROGRESS IN NATURAL

SCIENCE, Volume 11 Supplement May 2001, Taylor & Francis, London гпд. Washington, Science in China Press, p. 156-159.

[7] Songping Liu, Enming Guo, Fuyuan Xie and Jimao Chen, Nondestructive evaluation based on ultrasonic Г-scan imaging techniques for carbon fiber-reinforced composite materials, National 8th Conference for NDT&E, 23-26, Sep., 2003 (кит.).

[8] Songping Liu and Vadim M. Levin, Evaluation of composite materials by ultrasonic C-scan in depth, Non-Destructive Testing, Vol. 23, No. 1 (190), 2001, p. 13-15 (кит.).

[9] Songping Liu and Guo Enming, Present situation and prospects of nondestructive testing and evaluation technology for composites, Aeronautical Manufacturing Technology, No. 3 (216), 2001, p. 30-32 (кит.)..

[10] Songping Liu, Vadim M. Levin, Enming Guo and Y.S. Petronyuk, An effective microacoustic technique for measuring local elastic properties and imaging bulk microstructure of carbon fiber-reinforced composite material*, (submitted), Journal, Composites Part B: engineering, в печати.

[11] Songping Liu, Vadim M. Levin, Enming Guo, Y.S. Petronyuk and Feifei Liu, Measurement of local elastic properties of carbon fiber-reinforced composite laminates and their structural elements by time-resolved microacoustic technique (submitted), Journal, Ultrasonics, в печати.

Перевод Ю.С. Петрокюк

# 11 0 6

Подписано в печать 2004 г.

Формат60x84/16.ЗаказN85/Тираж ¿/экз. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 1325128

ôi-Of-Y/Y^iS

RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES INSTITUTE OF BIOCHEMICAL PHYSICS

PEOPLE'S REPUBLIC OF CHINA BEIJING AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY _RESEARCH INSTITUTE_

Copyright reserved УДК 534.222

Liu Songping

APPLICATION OF ACOUSTIC MICROSCOPY FOR STUDYING ELASTIC PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF i* CARBON FIBER-REINFORCED COMPOSITE MATERIALS

01. 04. 06. - acoustics

Ph. D. dissertation in acoustics awarding

Supervisor:

V. M. Levin, Ph. D.

Moscow 2004

CONTENT

INTRODUCTION 4

1. CARBON FIBER-REINFORCED COMPOSITE MATERIALS AND ULTRASONIC METHODS OF THEIR INVESTIGATION 12

1.1. Structural organization of carbon fiber-reinforced composite materials 12

1.2. Methods for characterizing and evaluating CFRC materials 18

1.3. Ultrasonic techniques to measure elastic properties of CFRC materials 19

1.4. Defects and inhomogeneities in CFRC materials and methods of their studies 28

1.5. Methods of ultrasonic characterization and NDT&E for CFRC materials 30

2. PRINCIPLES AND FACILITIES TO STUDY MICROSTRUCTURE AND LOCAL PROPERTIES OF CFRC MATERIALS WITH HIGH-FREQUENCY FOCUSED ULTRASONIC BEAMS 39

2.1. Convergent ultrasonic beams and their interaction with plane-parallel objects 39

2.2. Principles of ultrasonic imaging with focused ultrasonic beam (acoustic microscopy) 45

2.3. Quantitative methods of acoustic microscopy — their applications in sound velocity measurements 53

2.4. Experimental set-up and specimens 57

3. INVESTIGATION OF LOCAL ELASTIC PROPERTIES OF CFRC LAMINATES AND THEIR STRUCTURAL ELEMENTS BY MEASURING SOUND VELOCITIES 61

3.1. Interaction of elastic waves with CFRC ordered structural media — sonic velocity measurements in low-frequency and high-frequency range 61

3.2. Measurement of local elastic properties of free single elements 63

3.3. Measurement of local elastic properties by microacoustic technique for

diverse kinds of CFRC materials 69

3.4. Measuring local elastic anisotropy of individual structural elements within CFRC laminate 75

4. STUDIES OF BULK MICROSTRUCTURE AND DEFECT NDE OF CFRC

MATERIALS BY USING MICROACOUSTIC IMAGING TECHNIQUE 87

4.1. Specific features of ultrasound reflection and mechanisms of acoustic contrast in CFRC laminates 87

4.2. 3D Acoustic imaging method for CFRC laminates 94

4.3. Bulk microstructure characterization and structural flaw NDE of unidirectional CFRC laminates by using multiple types of acoustic imaging 98

4.4. Studies of bulk microstructure and small-sized defect NDE in multi-directional CFRC laminate 121

5. BULK MICROSTRUCTURE CHARACTERIZATION OF WOVEN CFRC

MATERIALS BY USING MICROACOUSTIC IMAGING TECHNIQUE 143

5.1. Microstructural features of woven CFRC laminates and acoustic principles in their imaging 143

5.2. Studies of bulk microstructure of plain woven CFRC laminates by using multi-scanning acoustic imaging method 145

5.3. Studies of bulk microstructure of unidirectional tape CFRC laminate by using multi-scanning acoustic imaging method 160

CONCLUSIONS 169

PUBLICATIONS 171

REFERENCES 172

m

Introduction

[Actuality!: Carbon fiber-reinforced composite (CFRC) laminates belong to the class of reinforced composite materials whose elastic and strength properties are specified by properties of comprising components - resin matrix and reinforcement as well as spatial structure formed by reinforcing components in the matrix body. CFRC laminates consist of microscopic plies (100 -s-150 jxm). Plies are formed as ordered structure of carbon threads (carbon fiber bundles) in the form of sheets of carbon fiber prepreg produced by parallel packing of threads or carbon fabrics produced by weaving carbon threads. The sheets or wefts are impregnated with resin. Mechanical properties of CFRC materials are distinct from properties of the components - matrix and carbon fiber, and are prescribed by material structure. Diverse versions of reinforcing fiber ordering result in variations of mechanical properties in a wide range. By significant anisotropy of carbon fibers and big difference in elastic characteristics of isotropic resin and anisotropic fibers CFRC laminates possess high elastic anisotropy. Anisotropy depends on carbon fiber orientation, kinds of packing carbon bundles within each ply, fashion of ply stacking in laminate structure - due to type and mutual orientation of comprising plies.

Promotion of fiber-reinforced composites has opened a way to theoretical design of construction materials with prescribed properties. Studies in mechanics of composite materials -establishing principles of generation of elastic and strength properties by means of controlled ordering of reinforcing fibers; finding interrelation between properties of structural units, their arrangement and mechanical properties of an entire composite, studying disruption and flaw generation should be based on efficient methods of mechanical measuring and bulk structure investigation. Plentiful fields of practical application demand for efficient methods of non-destructive evaluation of CFRC laminate microstructure and properties, methods of high resolution flaw detection to reveal small-sized defects in the body of a material or article.

There is a wide set of research methods to study structure and properties at the face of CFRC laminate specimens - light microscopy, electron and probe microscopy, X-ray imaging technique, etc. But these methods are non-effective for studying bulk microstructure within the specimen body, which is fundamental for reinforced materials. Spatial arrangement of structural elements -carbon fiber, fiber bundles, threads and thread tapes; can be distinct within different layers in a ply stack. Occurrence of interlamina adhesive layers, resin pockets and headen flaws - interlamina defoliation, voids, microcracks; are typical for CFRC laminates. Ultrasonic techniques are a powerful instrument for structural feature investigation in CFRC materials and for quantitative characterization o ft heir e lastic p roperties. U ltrasound p enetrates fairly deep i nside t he C FRC laminate body. Reflected or transmitted radiation can be employed for measuring velocities of

diverse acoustical modes (bulk and leaky surface ones) or for imaging bulk material structure and visualizing flaws within the body.

Peculiarities of elastic wave propagation through structured matter depend on interrelation between the wavelength and characteristic sizes of structural constitutes. Aims and tasks of ultrasonic technique applications define an ultrasonic frequency range to be employed. At frequency lower than 10 20 MHz ultrasonic wavelength substantially larger than characteristic sizes of CFRC laminate structural elements - plies, bundles and so on. Ultrasound is not sensitive to microstructural component presence - CFRC laminate is perceived by ultrasound as uniform generally anisotropic structured medium. Long-wave techniques in this frequency range are commonly used for measuring elastic and viscous parameters of CFRC laminates and in industrial NDI for revealing large-sized defects.

At higher frequency 50 100 MHz the CFRC laminate is perceived as a system of uniform anisotropic layers. Ultrasound reflects and refracts at interlamina interfaces. Ultrasonic radiation at these frequencies can be employed for characterizing structural units of the laminate - plies, carbon fiber bundles, carbon threads, tapes, etc. High-frequency focused ultrasonic applications for local measuring including elastic property characterization for particular structural elements. Data on elastic properties of structural elements together with integral characteristics of the composite as a whole make it possible to establish interrelation between material microstructure and elastic properties.

Scanning the focused beam over the specimen face and recording the reflected signal at each point of the scanning area allows to form acoustical images of the specimen bulk microstructure (scanning acoustic microscopy). Employing ultra-short (1-^2 oscillations) probe signals is a way to visualize specimen microstructure both on the specimen face and at definite depth within its body. The technique makes it possible to view layer-by-layer microstructure of laminates, to estimate nature and types of defects, their distribution within a particular ply or in the body of laminate material as a whole. Methods of high-resolution acoustic vision demonstrate unique potentialities to get information on bulk microstructure in non-transparent matter, so development of the technique to be applied to CFRC laminate is a topical problem.

fProblemsl: As CFRC materials are more widely used, the need of advanced and nondestructive characterizing techniques is becoming critical for measurement of material properties, observation and characterization of microstructure, study of failure modes and NDT&E of defects, ensuring reliable level of performance in both materials and structural uses. Ultrasonic technique provides opportunity to non-destructive evaluation and characterization of CFRC materials, including reconstruction of elastic constants, visualization of microstructure and evaluation of defects. Previous investigations were mainly focused on the applications of

low-frequency limit:

( 1 ) In measurement of elastic properties the ordered structural CFRC material laminates were treated as uniform structured medium by ultrasound because the employed ultrasonic wavelength was essentially larger than characteristic sizes of their structural elements. The elastic properties e xtracted from d ata o f p hase v elocities a re i ntegral v alues o f C FRC m ateríais asa whole.

(2) Acoustic imaging did not involve any contrast resulted from ultrasonic reflection at individual microstructure elements of CFRC materials because of limitation of spatial-resolution and no time-resolved reflections from individual structural elements and interfaces of neighbor plies. Although the surface microstructure of CFRC materials could be observed by traditional optical, electronic, etc. microscopy, they are of destructive methods.

(3) The investigations on nondestructive testing and evaluation (NDT&E) of CFRC materials were mainly attracted to the studies of large-scale defect detection and evaluation, which were caused deliberately under loading, such as delaminations, damages, matrix cracks, etc.

Therefore, (1) anisotropic characteristics of local elastic properties of CFRC materials and their structural elements is to be investigated; (2) methods for observation and characterization of bulk microstructure inside CFRC material laminates are to be developed; (3) evaluation and characterization of natural structural flaws and small-sized defects and their morphology and topology in CFRC laminate body are to be studied. In addition, previous investigations on ultrasonic characterization of CFRC materials were primarily attracted to carbon fiber-reinforced/epoxy resin composites. The ultrasonic evaluation and characterization of carbon fiber-reinforced/bismaleimide resin composites are to be investigated.

[Aims]: The dissertation is aimed at:

- studying interaction of pulse high-frequency focused ultrasound with ordered composite media using CFRC materials as an example;

- development of principles to apply impulse high-frequency focused ultrasonic radiation for characterization of microstructure and elastic properties of ordered CFRC materials and their structural elements;

- generation of new and efficient ultrasonic methods to visualize bulk microstructure of CFRC laminates including carbon fiber bundles (threads) orientation within plies, distribution of polymer resin over the material body, quality of adhesive films between prepreg or fabric plies;

- development of new acoustic microscopy techniques for non-destructive evaluation of CFRC materials including detection of macro- and microflaws, revealing their topology and distribution over the specimen body.

[Novelties]: All results given in the dissertation are novel.

High resolution ultrasonic technique for microstructure characterization in ordered composite media have been originally developed. The technique is based on employing small-aperture high-frequency focused ultrasonic beams.

For the first time interaction of ultra-short pulses of focused ultrasound with layered structures has been investigated. Echo signal formation at interfaces of different types within the CFRC material body has been studied.

For the first time the microacoustical technique based on using short pulses of high-frequency focused ultrasound has been employed to measure local values of longitudinal elastic wave velocity for different orientations of CFRC laminates including propagation velocity measuring along individual plies within ply stacks in the laminate materials.

For the first time sonic velocity values in different directions have been measured for individual carbon fiber microplies, and anisotropy of the individual plies has been estimated.

For the first time mechanisms of imaging diverse details of bulk microstructure in CFRC laminates have been found. Principles for displaying carbon fiber packing within individual plies of t he 1 aminate, for i maging i nterply adhesive i nterfaces, for d isplaying i nhomogeneous r esin distribution over the material body have been determined.

For the first time principles of revealing structural defects (ply bucklings and folds, non-uniform resin distribution, interlamina delaminations, etc), voids and inclusions in the body of CFRC laminate structures have been proposed.

[Significance for practical applications]: Results of the researches demonstrate high efficiency of small-aperture high-frequency focused ultrasonic beam application to non-destructive evaluation of elastic properties and microstructure of CFRC laminate materials. The results provide the basis on high-resolution microacoustical method application in researches as well as for industrial NDE and NDI. The most important results for practice are: technique for characterization of local elastic properties and anisotropy of diverse CFRC materials; methods of acoustic imaging bulk microstructure of CFRC laminates and principles of acoustic image interpretation; methods for visualization and classification of flaws that are typical for different CFRC materials.

[Volume and structure!: The dissertation includes introduction, five chapters (two first are summarizing ones). 176 pages, 90 figures and 17 tables are involved into the dissertation. List of references involves 53 items.

[Main points of dissertation]: The dissertation is aimed at investigating interaction of high-frequency and ultra-short ultrasonic pulse waves with ordered structural CFRC laminates and studying possibilities of application of microacoustical method, which is based on the

high-frequency ultrasound by employing lower aperture focused convergent probe beam, for CFRC laminate structure and mechanical property estimations as well as NDE of structural flaws and small-sized defects. The time-resolved reflection method and mechanisms of acoustic contrast based on propagation of the high-frequency ultrasound in CFRC structured media have been applied

(1) to measure local elastic properties and elastic anisotropy of CFRC laminates and their individual structural elements;

(2) to observe and characterize bulk microstructure of CFRC laminates, including packing of fiber bundles and plies, topological features of structural ordering, configuration of weft and resin pocket in woven plies, perfection of interlaminar interfaces and geometrical nature of interlaminar layer.

(3) to nondestructively evaluate structural flaws and morphology of defects in diverse CFRC material laminates -including unidirectional, bidirectional and multidirectional laminates as well as woven laminates, by means of multiple types of ultrasonic imaging: successive series of C-scan and 5-scans imaging.

[Description of contentl: Chapter 1 includes a review of structural organization of CFRC laminates, their mechanical properties and ultrasonic methods - including the methods for studying elastic properties, microstructure as well as NDE of defects, being in use now to characterize the materials. Section 1.1 contains the basic knowledge on generation principles and structure of CFRC laminates. Ordered structures of carbon fiber bundles or threads resulted from one-layer parallel packing or weaving carbon bundles (threads) and impregnation of the structure by resin subsequent give rise to carbon prepreg plies or carbon fabrics. By the mechanical treating (curing) stacks of such plies finally form laminate composite materials possessing unique elastic and strength properties. Classification of carbon fiber bundles arrangement within a particular ply as well as of ply stacking into a laminate matter is given in section 1.1. A short discussion about methods for characterizing and evaluating CFRC materials is given in section 1.2. Review of ultrasonic techniques that are in use for measuring elastic wave velocities and elastic moduli of CFRC materials is given in section 1.3. Discussion is focused on immersion methods, including the double trip technique and line-focus beam application for measuring velocities of surface and bulk elastic wave modes. The review involves description of the direct measuring technique based on laser excitation of the probe ultrasonic spike. Techniques with using surface and waveguided modes to measure CFRC elastic properties are described as well as resonance methods.

Besides measuring elastic properties ultrasonic beams are employed for flaws detection within non-transparent CFRC materials. Section 1.4 includes classification of main types of structural imperfections in carbon fiber composites - inclusions, voids, cracks, ply bucklings and

8

folds, thread ruptures, etc. Influence of the imperfections on mechanical properties of matter is under discussion. Section 1.5 contains a review of ultrasonic visualization methods that are in use for NDI of CFRC laminate materials. Ultrasonic NDI technique is compared with other methods of flaw detection. A short discussion about previous studied methods and their limitations is involved in the last part of this chapter.

Chapter 2 describes experimental technique and facilities that have been in use for high-frequency ultrasonic visualization (acoustical microscopy), principles of the visualization as well as methods of application of short pulses of focused ultrasound to measure local values of elastic characteristics (microacoustical technique). To ultrasonically characterize local properties, microstructure and small-sized defects of CFRC laminates, section 2.1 is aimed at analysis on convergent ultrasonic beams and their interaction with plane-parallel object. The general principles of ultrasonic imaging surface and bulk microstructure by employing different focused ultrasonic beams are discussed in section 2.2. It contains three parts - ultrasonic focusing systems with low- and high-aperture, distinct probe signals (in harmonic systems, short-pulse ultrasonic signals), object surface and bulk microstructure imaging by using high and low-aperture focusing systems. Three possible quantitative methods for measuring elastic properties of CFRC materials based on acoustic microscopy are discussed in section 2.3. The microacoustic technique is powerful means to evaluate microstructure and mechanical properties of CFRC materials present-day because of its high resolution and penetration abilities. The last part of the chapter is given to descriptions of experimental set-up and CFRC material specimens to be used for the studies.

Chapter 3 is devoted to the studies of local elastic properties of different types of CFRC laminates and their structural elements by measuring sound velocities. Interaction of elastic waves with ordered structural CFRC media - sonic velocity measurements in low-frequency and high-frequency cases, is discussed in section 3.1. The theoretical analysis shows that the effective sonic velocities of the composite material are different in the short-wave and long-wave limit cases when layers possess different densities and sound velocity values in CFRC laminates. Section 3.2 is given to measure elastic properties of free single structural elements - including matrix materials (pure resin plate), a single ply with adhesive layer and without adhesive layer cases, by using the established experimental set-up. The measurement of local elastic properties of diverse kinds of CFRC materials - unidirectional, bi-directional, multi-directional and woven CFRC laminates, by using the microacoustic technique is the aim of section 3.3. The experimental and theoretical comparison of sonic velocities obtained in high-frequency and low-frequency limits is given in this section too. The anisotropic characteristics of individual layer in cross-ply CFRC laminate are studied in section 3.4. Sonic velocities have been measured in different directions of

fibers - across plies, along fibers and across fibers in individual layers. The detailed experimental results and discussions are given in this chapter.

Chapter 4 is dedicated to the development of microacoustic imaging technique for studying bulk microstructure and structural flaws in the body of diverse prepreg-based CFRC laminates. Section 4.1 involves discussions on mechanisms to form acoustic images of diverse elements of internal microstructure in CFRC laminates. Feasibility to visualize particular structural elements and different types of faults in the CFRC laminate specimen body has been assessed. Section 4.2 gives the details of the special microacoustical technique aimed at high-resolution acoustic imaging CFRC laminates. Tomographic operation mode is employed to produce 3D acoustic images of CFRC laminates. Section 4.3 and 4.4 are focused on the application of the devising acoustic vision technique for high-resolution non-destructive evaluating microstructure and faults in diverse CFRC laminates with various topology of ply packing. The main concern is with principles of acoustic imaging interpretation based on primary mechanisms of acoustic contrast for CFRC laminates that have been considered in section 4.1. A plentiful of experimentally studied results with detailed discussions is exhibited in this chapter.

Chapter 5 is focused on the studies of bulk microstructure of woven CFRC materials by using the established microacoustic imaging technique. Section 5.1 is given to description of microstructural features of woven CFRC laminates and mechanisms of acoustic contrast for imaging their bulk microstructure. Section 5.2 and 5.3 are devoted to studies of bulk microstructure of plain woven and unidirectional tape CFRC laminate by using the acoustic imaging method. Mechanisms and interpretation of acoustic imaging microstructure in woven CFRC laminate body are discussed in details based on effective ultrasonic reflections at structural elements. A wealth of experimentally studied results with detailed analysis is involved in this chapter.

Conclusions of the studies in this dissertation are represented after chapter 1 to chapter 5.

[Publications!: Dissertation content is reflected in 9 publications and two papers to be published in journal Ultrasonics and Composites (Part B), as listed in the publications the dissertation.

f Personal contributions]: Work has been performed at the laboratory of acoustic microscopy, Institute of Biochemical Physics, RAS and at Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute (BAMTRI), People's Republic of China under supervision of V.M. Levin, Ph. D., the head of the laboratory. The problem of imaging diverse microstructural peculiarities in CFRC laminates has been put by the author himself. The author studied principles of acoustic image formation in structured CFRC media. The author proposed classification of structural flaws typical for carbon fiber composites. The author participated in studying

microstructure of CFC materials by other techniques including light microscopy methods. He developed methods of local characterizing elastic anisotropy of CFRC laminates and performed measuring local elastic properties. His contribution to publications prepared in cooperation with other authors is not less than a half.

{Approval of the work!: Results have been reported at scientific seminars, the N. M. Emanuel Institute of Biochemical Physics (Moscow, Russia, April-June, 2001), at every-year competition for the best scientific research work, BAMTRI (Beijing, China, September 2002), at MRS Fall Meeting (Boston, USA, November 2002), at 27th international conference on ultrasonic visualization "Acoustical Imaging, 27" (Saarbrücken, Germany, March 2003), at 8th National Conference on NDT&E (Su Zhou, China, September, 2003), at every-year competition for the best research work, N. M. Emanuel Institute of Biochemical Physics (Moscow, Russia, March, 2004).

Chapter 1. Carbon fiber-reinforced composite materials and ultrasonic methods of their investigation

§1.1. Structural organization of carbon fiber-reinforced composite materials

Carbon fiber-reinforced composite (CFRC) materials are ordered structures of carbon-fiber reinforcing elements that are embedded into polymer matrix. CFRC materials possess complicated, multi-level spatial organization. The main ingredients of these compositions are carbon fibers and resin binder. Variety of CFRC materials is caused by distinctions in ways to arrange the carbon constituents and variations in properties of fibers and resin.

Strength and elastic characteristics of carbon fibers depend on their precursor and processing condition[M]. There are two types of carbon fiber precursors - polyacrylonitrile (PAN) fibers and mesophase pitch. PAN-based carbon fibers possess high tensile strength and resistance to compressive failure; pitch-based fibers are characterized by high values of elastic modulus. The difference in mechanical properties results from distinct nanostructure of single fiber. Diameter of a single PAN-based fiber is of 8 + 12 jxm, whereas diameter of a single pitch-based carbon fiber is much bigger up to 60|im. Fibers are picked up into mesoscopic structural elements - fiber bundles and threads.

A few types of polymer resin - epoxy, bismaleimide, polyimide and others, are in use as a binder. Single fibers or single resin are not useful for real application. Only when they are properly mixed together, desired properties can be reached. First step in fiber-resin arrangement is picking up carbon fibers into initial structural elements - fiber bundles or threads. Impregnated by resin, bundles or threads are the main construction units to build reinforcing structures. Next level of spatial construction is two-dimensional packing bundles or threads into macroscopic construction elements — prepreg plies or carbon fabrics. A single-layer prepreg sheet (ply) is produced by tight parallel packing of fiber bundles linked between them due to resin adhesion. Carbon fabrics are formed from fiber bundles and threads by means of special weaving process. Figure 1-1 is the illustrations of basic material components and structural elements in CFRC laminates.

Finally CFRC laminates are fabricated by stacking prepreg plies or fabrics with prescribed sequence of bundles (in prepreg plies) or weaving (in fabrics) orientation by means of curing and other special kinds of technological processes. Depending on primary components of laminate structure, three main classes of CFRC materials are developed for industrial application (as sketched in Fig. 1-2):

- Prepreg ply-ply laminates based on stacking single-layer prepreg sheets with diverse

12

mutual orientation of ordered bundles in neighbor layer: 1) unidirectional laminates that possess the same bundle orientation in all layers of the stack; 2) bidirectional ones including cross-ply packing with orthogonal orientation of fibers in neighbor laminate and 3) multidirectional laminates. The ordered structure of ply-ply laminates is described by the abbreviate form:

[aipiyl.....]«„

where a, /?, y, mean orientation directions of carbon fibers of successive laminae: 0°, 90°, ±45° and so on, within each period of successive stacking; s means occurrence of the symmetry plane of stacking and n - number of structure periods on each side from this plane. So the notation [0 / 90°]2s means cross-ply packing of 8 plies that are arranged symmetrically with respect to the median plane of this packing.

- Woven laminates are formed by parallel packing carbon fabric plies, tapes or mates. So initial classification of woven composites comes from kind of a matter to be used as layers of stacking. The most important and widespread kind of woven laminates are materials formed by stacking carbon clothes of diverse weaving. So the next step of woven laminate classification is a type of weaving - plain, serge or satin. Finally, the classification has to include information on number of layers and mutual orientation of two-dimensional networks in successive plies.

- Stitched composites that are ply-ply or woven CFRC laminates reinforced by through-thickness stitching by means of special fiber yarn to enhance interlaminar damage tolerance of CFRC materials. Enhanced interlaminar shear strength properties make stitched composites to be more and more attractive for future applications.

So CFRC laminates are multi-level hierarchy structures; every level of it is characterized by specific sizes of structural elements. The smallest elements of the hierarchy are single carbon fibers; their diameter is in the range of 8 12 pm (PAN-based fibers). Size across a fiber bundle is close to single ply thickness ht ~ 120 + 130 nm\ width of bundles usually exceeds essentially their thickness. The final geometr