碳纤维增强树脂基复合材料表面碳纤维裸露缺陷检测方法

1.本发明属于材料检测技术领域，具体涉及一种碳纤维增强树脂基复合材料表面碳纤维裸露缺陷检测方法。


背景技术：

2.大量应用碳纤维增强树脂基复合材料(cfrp)是实现现代大型装备结构轻量化的重要手段之一。例如，国外在现代飞机上广泛使用了cfrp，技术已经相对成熟，欧洲空客生产的大型军用运输机a400m中，cfrp用量约占机体结构总重的40％，美国波音已量产的b787客机中cfrp占比高达50％。相比之下，国内仍然处于起步阶段，在我国自主研制的大型窄体客机c919中，铝合金和cfrp的用量分别约占70％和11.5％。可以预见，随着社会的发展和技术的进步，cfrp在我国大型装备中的用量亦将逐步提高。
3.在装备结构中，cfrp用量的提升导致其与金属组合共用成为常态。金属/cfrp结构的优点是轻质高强，力学性能优良，但是，由于cfrp自身电位较高，阴极性质良好，在与金属接触时，往往会加速低电位金属在腐蚀环境中的腐蚀速率，即电偶腐蚀现象。因此，在实际应用过程中，一旦金属/cfrp结构的防腐蚀措施失效，装备将面临严重的环境损伤问题。可见，掌握cfrp的电化学特性对于理解和探索金属/cfrp结构的电偶腐蚀机理十分重要，对于优化防腐蚀措施、提高防腐蚀工作效率也有潜在的科学指导作用和工程应用价值。
4.研究表明，cfrp的阴极性质与其碳纤维增强体密切相关，cfrp中裸露的碳纤维是阴极反应的主要场所。若生产工艺理想，碳纤维被树脂严密包覆，没有任何裸露，cfrp则不具备导电性，阴极性质也无从谈起。然而，在实际生产和保存过程中，由于种种原因，cfrp表面总是存在碳纤维裸露缺陷，致使cfrp表现出良好的阴极性质。因此，获得和掌握cfrp表面碳纤维裸露缺陷的分布规律，成为研究cfrp阴极性质和金属/cfrp结构电偶腐蚀的关键难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种碳纤维增强树脂基复合材料表面碳纤维裸露缺陷检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.碳纤维增强树脂基复合材料表面碳纤维裸露缺陷检测方法，包括如下步骤：
8.(1)，制作电化学试件；
9.(2)，电化学标记；
10.(3)，碳纤维裸露缺陷检测。
11.优选的，在步骤(1)，将碳纤维增强树脂基复合材料切割一定尺寸的小样，预留任一个面为工作面，从另一个面引出铜导线，非工作面均使用环氧树脂常温封装。
12.优选的，在步骤(1)，所述尺寸为10mm
×
10mm
×
2mm。
13.优选的，在步骤(1)，工作面和引出铜导线的面为10mm
×
10mm的面。
14.优选的，在步骤(1)，引出铜导线的面应经砂纸打磨而具有良好导电性，打磨后，该面上任意两点间电阻小于8ω。
15.优选的，在步骤(2)，包括配制溶液、电极连接和开展电化学试验。
16.优选的，在步骤(2)，使用去离子水和五水合硫酸铜配置饱和cuso4溶液，35℃时，饱和cuso4溶液中cuso4的质量分数为12.5％左右。
17.优选的，在步骤(2)，电极连接时，饱和甘汞电极为参比电极re，铂电极为对电极ce，电化学试件为工作电极we。
18.优选的，在步骤(2)，设置极化参数，恒电位极化电压设置为-0.15v，极化时长设置为8000s，采点步长5s。极化电压设置范围可在-0.15～-0.3v之间。
19.优选的，在步骤(3)，如恒电位极化过程中监测到的电流值为0或过载，则不存在碳纤维裸露缺陷，如不为0，则存在碳纤维裸露缺陷。
20.优选的，在步骤(3)，cu沉积处为缺陷所在位置。
21.优选的，在步骤(3)，使用体视显微镜对所述试件表面的cu沉积位置进行观测，记录材料表面碳纤维裸露缺陷的位置、数量以及面积。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1，本发明深入探究cfrp的电化学性能及其对金属/cfrp结构电偶腐蚀的影响，以航空材料cfrp为对象，基于电镀原理，借助parstat 4000电化学工作站、kh-7700体式显微镜等设备，经cfrp电化学试件制作、恒电位极化测量、表面沉积物观测、数理统计计算等过程，获得cfrp原始表面碳纤维裸露缺陷的分布规律，包括裸露碳纤维的分布位置、分布密度和分布面积等，实现碳纤维增强树脂基复合材料表面碳纤维裸露缺陷检测。采用本发明的检测方法后，解决了以往直接使用放大镜或光学显微镜观察cfrp表面碳纤维裸露缺陷所得结果只能定性、无法定量的难题，且检测准确度高、可靠性强。2，采用本发明的检测方法后，可以准确划分cfrp表面的活性阴极区和惰性阴极区，并获得活性阴极区和惰性阴极区的阴极反应机制，为合理的防腐蚀设计提供支撑，推动cfrp在工程结构中的应用进程。
24.3，cfrp的阴极性质与其碳纤维裸露量密切相关，但一直以来，二者之间的关系无法得到量化。采用本发明的检测方法，可获得cfrp表面碳纤维裸露缺陷的统计结果，以及恒电位极化条件下的电流值，据此确定确定碳纤维裸露缺陷和cfrp阴极性质之间的量化关系。基于电镀原理，实现了对于cfrp碳纤维裸露缺陷的标记，克服了以往肉眼观察缺陷导致判断不准确、结果不可靠的难题，方便了对于缺陷的统计，同时获得了恒电位极化中的电流特征值，为建立cfrp阴极性质与缺陷分布的量化关系奠定了数据基础。
25.4，本发明的发明构思为恒电位极化时，工作电极we和对电极re在饱和cuso4溶液中形成了完整电回路。根据电镀原理，电解液中的cu2+便会在电子释放的位置因获得电子而被还原，从而发生聚集沉积。在绝缘区域，仅有极少量溶解氧可跟随电解液的渗透抵达碳纤维表面，而cu2+由于半径较大，极难以渗透方式穿越树脂，故该区域阴极极化进程极为缓慢，测量周期内不足以有cu沉积，称之为惰性阴极区。在碳纤维裸露区，导电碳纤维传递并释放大量电子，大量cu2+和溶解氧在此处得到电子而快速地发生还原反应，o2被快速消耗，大量cu2+也参与其中，cu沉积十分显著，称之为活性阴极区，cu沉积处便是缺陷所在位置。
26.5，通过光学显微、扫描电镜观察、体视显微镜的测量，基于电镀原理的cu2+还原检测可用于标识cfrp表面碳纤维裸露缺陷的位置、数量和面积，准确度高，可靠性强。通过对
引出铜导线的面进行打磨，实现了导线与该面之间较好的导通，避免了电化学标记过程中因此而产生的断路或过载问题，提高了电化学标记效率。通过限定恒电位极化时的极化电压范围，既避免了电压过低造成的击穿损伤，影响试验结果，又避免了电压过高造成的反应缓慢，降低标记效率。
27.6，使用2d测量工具，实现了对被标记缺陷面积、数量、分布的精确统计，并根据数理统计方法，获得了cfrp表面缺陷的分布规律，检出率更高、准确度更高。
附图说明
28.图1为本发明的cfrp电化学试件的制备的结果图。
29.图2为本发明的电化学实验示意图。
30.图3为本发明的惰性阴极区和活性阴极区的反应进程示意图。
31.图4为在饱和cuso4溶液中极化后cfrp表面沉积物成分分析。
32.图5为使用显微镜对缺陷进行检测的过程。
33.图6为cfrp表面显微图(
×
160倍)。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.一种碳纤维增强树脂基复合材料表面碳纤维裸露缺陷检测方法，包括如下步骤：
37.(1)制作电化学试件
38.将厚度为2mm的cf8611/ac531 cfrp板材切割成尺寸为10mm
×
10mm
×
2mm的小样，预留其中任一个10mm
×
10mm面为工作面，从另一个10mm
×
10mm面引出铜导线，非工作面均使用环氧树脂常温封装在pvc管内，如图1所示；待环氧树脂固化后，使用kj-9801数字万用表测量工作面与铜导线端之间的电阻，若电阻值小于8ω，表明试件导通正常，可用；用丙酮除油，用无水乙醇超声清洗，暖风吹干，置于干燥皿中备用。
39.由于cf8611/ac531 cfrp的原始表面被环氧树脂包裹，因而呈现良好绝缘性，在封入pvc管前，对接出铜导线的10mm
×
10mm面打磨，直至在kh-7700光学显微镜下观察到碳纤维完全裸露，使用kj-9801数字万用表测量该面上任意两点间的电阻值应小于8ω，以保证电回路导通。
40.(2)电化学标记
41.配制溶液。使用去离子水和五水合硫酸铜(分析纯)在500ml烧杯中配置500ml饱和cuso4溶液。温度为35℃时，饱和cuso4溶液中cuso4的质量分数应为12.5％左右。搅拌均匀，待五水合硫酸铜完全溶解后，将烧杯置于hh-2数显恒温水浴锅内。溶液温度恒定至35℃。
42.电极连接。使用arstat 4000电化学工作站，按照如图2所示的三电极体系连接工作站，其中，饱和甘汞电极为参比电极re，铂电极为对电极ce，cf8611/ac531 cfrp电化学试件为工作电极we。
43.电化学标记。使用恒电位极化方法开展试验，在工作站配套的versa studio软件中设置极化参数。其中，恒电位极化电压设置为-0.15v，极化时长设置为8000s，采点步长5s。极化电压一般在-0.15～-0.3v范围内，否则试验效果不理想。如果极化电压设置高于-0.15v，则会导致测量时间变长，效率较低；若设置低于-0.3v，则会发生电击穿，造成碳纤维裸露，影响标记结果。
44.(3)碳纤维裸露缺陷检测
45.cf8611/ac531 cfrp原始表面涂覆有环氧树脂，若表层碳纤维能够被环氧树脂完全覆盖，则cfrp电化学试件理想绝缘，恒电位极化过程中监测到的电流值应为0或过载。然而，实测结果发现其并不为0。可见，在恒电位极化中，工作电极we和对电极re之间形成了完整电回路。这表明，cf8611/ac531 cfrp原始表面存在碳纤维裸露缺陷。
46.恒电位极化时，工作电极we和对电极re在饱和cuso4溶液中形成了完整电回路。根据电镀原理，电解液中的cu2+便会在电子释放的位置因获得电子而被还原，从而发生聚集沉积，反应方程见式1。此时，cfrp表面的阴极反应过程如图3所示。
47.cu
2+
+2e-＝cu
ꢀꢀꢀ
(1)
48.cf8611/ac531 cfrp表面的绝缘区域，仅有极少量溶解氧可跟随电解液的渗透抵达碳纤维表面，而cu2+由于半径较大，极难以渗透方式穿越树脂，故该区域阴极极化进程极为缓慢，测量周期内不足以有cu沉积，称之为惰性阴极区。
49.cf8611/ac531 cfrp表面的碳纤维裸露区，在该区域，导电碳纤维传递并释放大量电子，大量cu2+和溶解氧在此处得到电子而快速地发生还原反应，o2被快速消耗，大量cu2+也参与其中，cu沉积显著，称之为活性阴极区。那么，cu沉积处便是缺陷所在位置。
50.沉积物的确定
51.在饱和cuso4溶液中恒电位极化后，对cf8611/ac531 cfrp的微观形貌及表面成分进行观察和分析，如图4所示。图4(a)为极化后cf8611/ac531 cfrp表面的光学显微结果，可见其表面有红色沉积物，随机选取其表面的1处沉积物，如位置2处，进行扫描电镜观察，得图4(b)，可见沉积物呈簇状生长堆积；对簇状沉积物进行x射线能谱分析分析，结果见图4(c)，该处沉积物中cu元素含量达91.05％，可确定沉积物主要是金属cu；将位置2处的cu沉积去除后再sem观察，得图4(d)，可见该处碳纤维未被树脂包覆而裸露。
52.为使上述结果更为可靠，对在饱和cuso4溶液中极化后的cf8611/ac531 cfrp试件切片取样，对样品的截面进行sem观察，发现试件内部的碳纤维被树脂完好包裹，碳纤维表面无cu沉积，证明无cu2+渗入或者通过其他渠道进入cfrp内部，极化未对cf8611/ac531复合材料结构造成物理性破坏。综上所述，基于电镀原理的cu2+还原检测可用于标识cfrp表面碳纤维裸露缺陷的位置、数量和面积。
53.(4)碳纤维裸露缺陷统计
54.使用kh-7700体视显微镜的测量功能，对cf8611/ac531 cfrp试件表面的cu沉积位置进行观测，记录包括单次拍摄视镜下缺陷的总个数、每个缺陷的面积等数据。据此得到cf8611/ac531 cfrp原始表面碳纤维裸露缺陷的分布数据如表1所示。
55.表1 cf8611/ac531复合材料原始表面的缺陷数量及面积
[0056][0057][0058]
根据观察和统计的结果，得到cf8611/ac531 cfrp试件表面碳纤维裸露缺陷分布规律如下：表面缺陷主要集中在图6所示的碳纤维束重叠区，极少出现在纤维束交界区，因为重叠区凸出而交界区凹陷，树脂固化前因重力作用总是由重叠区流向交界区，使交界区被完好包覆；在
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160倍镜头下随机观测，每次观测面积为3mm2，其中含有缺陷数量约为13处，缺陷面积通常小于单个重叠区的面积，计算可得缺陷的分布密度均值为4.3个/mm2，单个缺陷的面积均值为0.0184mm2。
[0059]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。