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  • 航工業X射線機斷層掃描的各項應用

    總結

    本文演示的可能性,以確定孔隙度碳纖維增強塑料使用錐束X射線計算機斷層掃描(CT)和量化,同時代表定性的基礎上,2D和3D的陳述。從CT數據分析的定量值進行比較,從參考的方法,如超聲波的衰減和濕化學分析的孔隙度值。這種對抗與R 2> 0.976很好的相關性。在CT評價孔隙率的再現性小于±0.15個百分點,約±0.5個百分點,樣品用4.6%的孔隙率,可估計的準確性。在定性分析部分的圖像高分辨率CT測量金相顯微鏡進行了比較。它可以單碳纖維和微細和大孔經CT解決。 3D陳述形成從空間和復雜的結構缺陷,用來方便的解釋尚無定論超聲檢查結果,飛機部件。

    關鍵詞:X射線計算機斷層掃描,碳纖維增強塑料,孔隙度,超聲波,光鏡,紅外熱成像,復合材料,非破壞性的測試。

    1動機及簡介
    碳纖維增強塑料(CFRP)贏得中航工業正變得越來越重要和不可缺少的材料。這種趨勢是合理的,由輕量的比率顯著更好的強度和剛度的材料的密度[1]。然而,利用這些優點的碳纖維復合材料與傳統材料相比,低Bauteilporosität是絕對必要的,作為Bauteilporosität和機械性能,如彈性模量或剪切強度之間的直接連接是[2]。通常必須在飛機行業組件的最大孔隙度為2.5%,不超過[3]。為了提供低孔隙度,確保組件在飛機的行業標準超聲檢查(US)非破壞性檢查。對超聲衰減的基礎上可以推斷的基礎上,實驗確定的計數上Bauteilporosität。然而,由于超聲波的衰減,不僅的Bauteilporosität的,但也很上所使用的樹脂系統的孔隙的形狀和分布,取決于其他材料的不均勻性的存在,孔隙度測定中的誤差由​​超聲波是25%和上述[4 ]?;诿绹臄祿挥斜淮_認,在每個組件區域是非常高的衰減。一個詳細的解釋錯誤的性質是只用了不少經驗的考官,或在某些情況下,不可能。平時也可以做的基礎上,個別故障金相顯微鏡(破壞性)一個相對簡單的隨機語句。要獲得較大的組件量的信息,但非常昂貴,而且往往是不可行的,由于時間和成本的原因。相反的破壞性過程的濕化學分析給出了一個體積孔隙率,但不能解釋這個量化值的錯誤。在計算出的孔體積分數的絕對誤差估計的累積密度值在±1個百分點[5]的不確定性,由于在濕化學分析。使用錐束X射線計算機斷層掃描(CT)可以結合上面描述的方法的許多優點。細節,本文介紹的可能性定量孔隙度測定,CT和材料的不均勻性定性評估的基礎上,2D和3D交涉的可能性。 CT提供了很大的優勢,從前面提到的問題,使用其他方法時可能發生的最深遠的獨立性。此外,CT所產生的數據可以用來探索新穎的方法,如紅外線熱像儀(IR),用于定量的孔隙度測定可能在將來使用此作為一種替代美國。

    2實驗

    2.1調查樣本和組件
    對于不同的測試使用美國,CT,濕化學分析和金相Ç970/PWC T300 3K UT(TY),其中包括碳纖維和40重量%的環氧樹脂預浸從20層的碳纖維復合材料板。板的尺寸為(170×200)平方毫米和厚度取決于上的孔隙含量在4毫米和5毫米之間。的樣品的孔隙率不同的真空的高壓釜中,在0和10%之間??傮w而言,8個不同的板碳纖維布的CT測量試樣(17×20×4,5)立方毫米,(5×20×4,5)毫米3被拆除。此外,碳纖維復合材料的成分為高度復雜的幾何形狀是90°角,壁厚為3厘米的強烈曲面包括后的樹脂 - 轉移 - 成型 - (RTM)[6]與美國制造和測試。隨后,為了使CT檢查,樣品尺寸(30×30×15)毫米³解剖。
    2.2孔隙度測量方​​法

    2.2.1超聲波檢測
    5的兆赫(GE USM 35 + Krautkraemer K5MN)頻率的方法在脈沖 - 回波(反射)的樣品進行了超聲檢查。超聲衰減的樣品,測定對信號的參考樣品,其中0%的孔隙率和相同的厚度。
    2.2.2濕化學分析
    破壞性的“濕化學分析樣品的孔隙度測定重量分析法,根據EN 2564 [5]。對于孔隙率的計算,作為該碳纖維的密度為1.75克/厘米3為環氧樹脂和1.26克/厘米3的使用。
    2.2.3金相試樣制備
    將樣品包埋在樹脂,然后研磨和拋光。顯微圖像(顯微鏡)創建AxioImager M1M蔡司AxioVision 4.6。

    2.2.4 X射線計算機斷層掃描和CT數據評估
    所有的CT測量上進行180NF nanotom(GE鳳凰| X射線,文斯托夫,德國)與180千伏納米聚焦管和2300 x 2300像素探測器濱松進行。在這項工作中的測量,使用本地分辨率(體素大?。?.75至20微米。作為溶解功能的具體測量參數列于表1。

    表1 GE鳳凰X射線| nanotom 180NF的測量參數。體素的大?。╒S)的電壓(U)和的電流(I)中的X射線管上,在整合時間(色調)在檢測器的,和的數目捕獲投影圖像(n)的,測量時間(TMES)和最大的參數取決于測量體積(VMES)。

    VS [µm] U [kV] I [µA] tint [ms] n tmes [min] Vmes [mm³]
    2,75 5 10 15 20 60 60 60 60 60 240 240 160 320 300 1000 750 1000 500 1000 1700 1500 1500 1500 1700 181 140 175 86 128 ~ 5 x 5 x 5 ~ 10 x 10 x 10 ~ 20 x 20 x 20 ~ 30 x 30 x 30 ~ 40 x 40 x 40


    重建射線影像記錄與nanotom重建軟件和集成束硬化。獲得定量的CT數據集的數據,分割過程中施加由被測物體(沒有周圍的空氣)的CT數據的灰度值直方圖發現一個全球性的閾值[7]。這一全球性的閾值,從個人孔隙度分割和用于計算組件中的體積孔隙率。為了減少CT數據中的噪聲,不大大改變的內部幾何形狀的孔,通過此過濾器的AID(各向異性擴散)進行過濾[8,9]。此外,僅考慮缺陷的孔隙度測定的體素大?。?0微米)3,其中有一個體積超過27體素(對應的等效球體直徑大于37.2微米)。

    全局閾值是由于缺乏足夠精確的參考方法高分辨率CT測量的基礎上,與一個像素的大?。?.5微米)和3(5微米)³確定CT評價。整個CT數據評估發生在三個方面。的原理,可以推斷,從更高分辨率的測量的實際Bauteilporosität基準概述于圖1。下面是一個簡化的二進位的2D圖像(一)表示的8215像素和3005像素中的細孔,導致一個“真正的孔隙率(孔隙率=孔隙像素/總像素數×100%),可以計算出從36.5%。圖像中的(b)至(c)該體素大?。ɑ疑綁K)被減半,每個示出的灰色陰影的體素分割的孔在不同的體素的體積。體素大小越?。╒S),以恒定的孔隙的幾何形狀的,更準確的分割,因此孔隙率的測定。

    圖1:在不同的體素大?。╒S))樣品的孔隙率評價繪制的與36.5%的孔隙率,b)條VS / 1:孔隙率= 50%角)VS / 2:孔隙度= 40.6%,四)VS / 4:孔隙度= 36.7%

    圖2顯示了一個典型的約4.8%的孔隙率和體積(10×10×4.5)毫米3所示的碳纖維復合材料樣品與灰度值直方圖。 Th1細胞,Th2和TH3表征的全球不同的方法確定的閾值(閾值)。 Th1細胞由OTSU方法[10],被放置在一條線Th3的之間的空氣和材料的峰值,然后計算所述連接線之間的最大距離和直方圖。在TH3是“最終”這些研究的門檻,這是由高分辨CT測量。它是由73%,27%的Th1和TH3。 CT切片圖像部分在圖2中顯示的孔具有不同的閾值的分割。 TH1是顯然是一個子分割毛孔手表和TH3過分割。從純粹的視覺,有輕微的下分割發生即使在閾值Th2細胞,它具有顯著影響較小的絕對孔隙內容,作為一個過度分割。對齊這個語句可以是直方圖的形狀主要是由于:灰度級更大的體素比在ISO50面積閾值小的閾值變化更直接關注。此外,絕對變化的​​孔隙體積或缺陷中的一個體素中的過分割

    圖2:典型的灰度值直方圖的碳纖維復合材料樣品~4.8卷。 %的孔隙率。像素大?。?0微米)³
    3結果與討論

    3.1 CFRP標本中的應用
    如前所述第2.2.4章中,已確定閾值Th2基于高分辨率測量。使用該圖表在圖3中,參考所描述的閾值化(Th1,Th2細胞和Th3)確定的孔隙率作為體素大小的函數作圖。在這些研究中,對同一樣品測定的體積范圍為從約(10×10×4,5)毫米3和CT評價。該圖清楚地表明,在較高的測量分辨率的地方上的特定的孔隙率的影響,由于該閾值變得更小。有了確定的閾值Th2細胞孔隙度分辨率的函數幾乎保持不變。在CT部分圖像在切割圖3的右側部分的孔隙,具有不同分辨率的測量,如圖所示。的孔進行分割的閾值Th2,并降低分辨率,考慮純粹的視覺,是一個子分割的孔。計算得到的孔隙率幾乎保持不變。

    10 9.35
    9 8.38

    體素大小,微米

    圖3:圖左:分辨率(體素大?。┎煌拈撝蹬c所確定的孔隙度的影響。 CT切片圖像右:CT切片圖像部分的基礎上,孔隙表示的測量與不同的分辨率和相應的分割與Th2細胞“。

    為了獲得該評價方法的再現性的值,將試樣重復測量(10微米)3體素的大小根據孔隙率從CT數據確定。這些測量值進行了超過2個半月的期間,每一測量點的樣品分別被重新定位。在這些研究中,樣品約4.6%的孔隙度可重復性±0.043個百分點。除了此值在同一測量參數可確定在與不同的分辨率和樣品具有不同的孔隙度的測量再現性為0.01~0.15個百分點??傊?,這些結果示于表2中。一般情況下,非常良好的再現性,可以假定與CT,更好的是10-100的因素,例如,由美國,因為它是可能的[11]。

    8
    7
    6%
    5Porosität, 5,50 4,86 4,81   4,71
    4 4,68       4,10
          4,19    
    3          
    2         Th1
    1         Th2 Th3
    0          
    0   5 10 15 20 25

    表2:從CT數據再現的孔隙度測定
    平均可重復性測量操作孔隙度孔隙度
    [%] [[百分率點之間在相同的測量參數和除去樣品
    不同的測量分辨率(2.5,5和10微米)0.10 0.010 4.59至0.043的測量
    拆卸的樣本之間的測量,測量不同的分辨率(5,10和20微米)之間的測量(從0.152 4.79圖3的數據取出樣品)

    為了計算驗證孔隙度的CT數據的基礎上,碳纖維樣品進行了測試具有孔​​隙度從0到約10%的CT和一個像素的大?。?0微米)3。圖4示出的定量的碳纖維復合材料樣品的孔隙度圖中的(左)CT檢測值應用于航空領域的標準程序,超聲檢查和濕化學分析。使用所有方法的相同的樣品面積進行評價。從圖中可以看出,不同的測量方法之間很好的相關性。在美國部的分散液是高于從濕化學分析值。 R 2 = 0.97 ... 0.99之間的相關性。在CT切片圖像部分,在圖4(右)示例如CT斷層圖像部分具有不同的孔隙率。根據圖像的平均()也可以表示為“高密度”的雜質(光)。

    圖4:圖:通過CT相比,孔隙度測定采用濕化學分析和超聲孔隙度測定。右圖顯示的CT切片圖像的約0(一)0.9 4.5%(二)及(c)孔隙率。像素大?。?0微米)³

    圖5示出了一個CT切片圖像(a)中測量的分辨率為(2.75微米)3,和一個材料微觀結構的顯微照片(二)之間的定性比較?;诘腃T部分圖像上,可以溶解在單獨的碳纖維的纖維束。之間的纖維束,即所謂的內消旋或宏觀孔隙度(#1)的單獨的碳纖維被包圍在微孔隙度(#2)所示[12]。 CT斷層圖像的毛孔在明亮的邊界密度,但沒有真正的差異衡量效果或Fasenkontrast。

    圖5:CT-剖視圖,(a)和(2.75微米)3,在光學顯微鏡下(放大50倍)的顯微鏡照片(b)條的體素大小。 #1:宏觀孔隙度,#2:微孔隙,孔隙度的樣品:~5%。

    CT評價的準確性可以由于缺乏足夠精確的參考方法(2.5微米)³體素大小,在圖3中,可以被估計的Th1和Th3的之間的差異,并是高清晰度的CT測量僅基于約±0.5個百分點,4.6%的孔隙率的樣品。申請樣品與低孔隙率較高的絕對CT評價的精度和更好的可重復性的孔隙率,可以假定。
    3.2實際應用

    3.2.1 CT分層檢測
    對于美國的廣告RTM成員后墻消失呼應每個樣本區域分層,而是一個典型的反應進行了測量。根據美國顯示分層,應該是上升的邊緣成分。然而,在視覺上,幾乎沒有缺陷看出,這個分量區中的孔隙率不能排除。只對應

    圖6:3D表示的RTM樣品#1與Mikrodelaminationen~2.5毫米以下的表面。體素大?。?5微米)3,總孔隙度<0.2%
    圖6(a)所示的測量組件切口及(b)的材料是透明的,從而使分段的缺陷結構可見的三維表示。在這種類型的缺陷顯然是2.5毫米以下的表面是位于Mikrodelaminationen??紫抖群头謱拥目傮w積分數是非常低的小于0.2%。
    3.2.2 CT作為參考為主動熱
    另一個應用是建立主動熱參考數據。的決定使用定量計算機斷層掃描數據的深度位置上,空隙的大小和分布可核實的熱成像結果,不破壞參考體。具體而言,為了提高信號處理算法用于定量測定缺陷尺寸從測得的溫度瞬變,CT值可以被用來作為比較。對于孔隙度的定量測定CFRP組件使用脈沖熱CT測量可以采用兩種方式:(一)使用的樣本的絕對Volumsporosität確定無損地從CT測量及(ii)提供的CT測量形態數據上的孔,如大小,形狀和分布。在圖7中,兩個CT切片圖像在軸向(a)和正面(二)視圖中,如圖所示?;谶@些圖像可以清楚地看到,優選纖維束的孔沿x方向和y方向延伸,并在

    圖7:CT切片圖像所測得的孔的軸向(a)和正面視圖(二)(2.75微米)的體素大小形態³

    圖8(左),平均形狀因子m的孔的投影面積作為孔隙率的函數作圖。平均形狀因子在水平x/y-,幾乎不改變視孔隙率大約為1,其對應于一個完美的圓的形狀。在的x/z- y/z-水平和形式因子或顯著與孔隙度zunehmeder。增加從CT數據獲得使用這些形態測量熱傳導模型,如林格氏液制造商的“Dethermalizationstheorie”[13]首次使用測量數據進行驗證。臨界形態尺寸(米(的x,y)/ z)的形狀因子,它描述了通常是橢圓形的孔的橫向軸線的縱向比為約。在圖8中的示圖(右)顯示了測得的脈沖熱成像測量的熱擴散率值相比,模型計算。調查發現,“Dethermalizations理論”顯著更好的相關性模型測得的數據比成帳戶(模式Kerrisk)的形式因素的毛孔不采取。相結合的主動熱這個核實傳導模型允許我們做出陳述孔隙度數值化的碳纖維組件的內容。 [14]
    孔隙度Φ/(%)孔隙度Φ/(%)
    圖8:圖:(左)表示與孔隙度(右)測得的熱擴散和熱傳導性與孔隙度,這是從CT測量計算不同型號的形式因素。 [14]

    此外,幾何數據,可以集成到有限元模擬。外部結構和內部結構,通過使用計算機斷層掃描檢測到一個現實的復制品的生產和操作發生的缺陷。這些數值計算的基礎上的熱流上的缺陷的影響進行了分析,在更多的細節和開發的方法,使一個更強大的,更敏感的復雜的部件的錯誤檢測。由現實的參數的研究中,許多不同的方案,在熱激發和測量單元的配置的,可以在很短的時間和很少的努力進一步分析。我們的目標是確定最佳激發和測量配置,以及適當的評估算法。

    4小結
    建立了一種基于X-射線計算機斷層掃描為CFRP樣品,這是適合用于定量測定Bauteilporosität。該方法具有非常高的再現性小于0.15個百分點,顯示了良好的相關性,通過標準方法,如超聲波探傷,或濕化學分析確定的孔隙度值比大于0.97。 CT評價方法在這篇文章中所描述的Porositätsauswertung的絕對精度是基于對更高分辨率的CT測量約為±0.5個百分點,樣品的4.6%,孔隙度估計。此外,CT具有很大的優勢,所有的定量分析數據質量也可以被理解的基礎上,2D和3DDarstellungen??赡?,例如,高顆粒密度,孔隙率或Mikordelaminationen區分。往往可以使用3D表示乍一看一份聲明中同質化,毛孔和缺陷的分布和方向符合。超聲檢查的結果是不確定的解釋,從這些陳述的結果可用于進一步的后果。此外,CT數據可以用于模擬熱流活性熱熔的碳纖維通過一個示例。這些結果導致進一步的后果,以更好地理解的非常復雜的材料,以改善現有的流程。

    隨著CT的幫助下,一個額外的孔隙度進行定量測定的碳纖維組件的非破壞性的方法可以開發,這將是支持超聲波和活動熱也提供了重要的數據。

    致謝
    這個項目是由奧地利研究促進署(FFG)和上奧地利州政府COMET計劃。

    證書
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