Kiểm tra liên kết dạng kissing-bond trong vật liệu composite

Mở đầu

Nhu cầu về các cấu trúc mạnh hơn, nhẹ hơn trong ngành hàng không vũ trụ và sản xuất ô tô đã tăng lên đáng kể trong vài thập kỷ qua. Do tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, tính linh hoạt trong thiết kế và các đặc tính cơ học vượt trội, các vật liệu composite tiên tiến như Nhựa gia cường sợi carbon (CFRP) đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kế kết cấu hiệu suất cao khi yêu cầu độ bền và độ cứng cao với trọng lượng nhẹ hơn.

Liên kết dạng kết dính là một quá trình liên kết được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm kỹ thuật. Liên kết kết cấu bằng chất kết dính mang lại nhiều ưu điểm trong ứng dụng hàng không vũ trụ. Điều kiện tiên quyết cho một ứng dụng an toàn là chất lượng của liên kết kết dính cần được kiểm soát. Có một số dạng khuyết tật khác nhau được biết thường xảy ra trong các liên kết kết dính ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của mối nối kết dính. Những khiếm khuyết này có thể được chia thành ba loại, bao gồm lỗ rỗng, phân tách và liên kết kissing-bond với phần bong tách gần như không có thể tích. Kissing-bond là một loại tách lớp đặc biệt mà phần bong tách không có túi khí hoặc khoảng trống có thể được phát hiện bằng cách sử dụng các phương pháp kiểm tra siêu âm tiêu chuẩn.

Một trong những thách thức hàng đầu đối với việc thiết kế các cấu trúc nhẹ, hiệu quả về chi phí là phát hiện các liên kết kissing-bond. Việc thiếu các quy trình kiểm tra định lượng không phá hủy có khả năng phát hiện các khuyết tật làm giảm độ bền như kissing-bond là một trong những yếu tố hạn chế ngăn cản việc sử dụng rộng rãi liên kết dính trong ngành hàng không.

Khiếm khuyết dạng Kissing-bond (KB) là gì

KB là một khuyết tật liên kết trong đó hai bề mặt tiếp xúc với nhau nhưng có độ bền liên kết rất ít hoặc không có liên kết. Những liên kết bị suy yếu này có thể xấu đi do tải trong dịch vụ hoặc điều kiện môi trường. Điều nguy hiểm với KB là nhìn từ bên ngoài, chúng có vẻ được liên kết chắc chắn, nhưng độ bền liên kết giữa hai chất kết dính là rất thấp. KB ở một khu vực có thể giảm chất lượng liên kết bền vững gần nó như minh họa dưới đây.

Hầu hết các KB là kết quả của việc chuẩn bị bề mặt kém do dư thừa fluorocarbon, silicon, chất hóa dẻo, các chất hóa học như vậy được đưa vào từ quá trình sản xuất. Về mặt vật lý, KB là các khuyết tật khối lượng nhỏ có đặc tính vật liệu tương tự với vật liệu xung quanh, do đó chúng không cung cấp đủ độ tương phản để có thể phát hiện bằng các quy trình NDT/NDE điển hình.

Bất kể nguồn gốc là gì, các liên kết khuyết tật phải có các đặc điểm nhất định để được coi là các mẫu tham chiếu có thể có cho các liên kết Kissing-bond. Những tiêu chí này đưa ra để chúng ta hiểu được bản chất thực của liên kết KB như sau:

1. Độ bền trong thử nghiệm giảm 80% độ bền cắt của liên kết đối với khuyết tật nếu trên toàn bộ liên kết, hoặc giảm 50% độ bền đối với các mảng nhỏ.
2. Vị trí hư hỏng phải là do chất kết dính, hoàn toàn nằm ở mặt phân cách giữa chất kết dính và vật liệu nền.
3. Các liên kết KB khó phân biệt với liên kết bình thường bằng siêu âm C-scan.

Có thể tạo khuyết tật mô phỏng KB theo hai cách, tiếp xúc khô và tiếp xúc ướt. Các liên kết tiếp xúc khô tạo ra bằng cách nén chất kết dính vào một lớp chất kết dính đã được đóng rắn trước để đạt được sự tiếp xúc với độ bám dính bằng không trên toàn bộ liên kết. Liên kết ướt là một khiếm khuyết tạo ra bằng cách thêm một lượng nhỏ chất bẩn vào bề mặt liên kết.

Kiểm tra siêu âm liên kết Kissing-bond

Kiểm tra siêu âm (UT) là một kỹ thuật kiểm tra không phá hủy được thiết lập để phát hiện hư hỏng dưới bề mặt trong vật liệu tổng hợp. Khi sóng siêu âm truyền qua vật liệu composite, sự truyền sóng bị ảnh hưởng bởi sự khiếm khuyết bên trong, hoạt động như những điểm không liên tục và gây ra sự thay đổi cục bộ trong trở kháng âm thanh. Trong UT, sóng âm tần số cao được tạo ra bởi một đầu dò và truyền vào đối tượng thử nghiệm để thu được thông tin về đối tượng mà không làm thay đổi hoặc làm hỏng đối tượng kiểm tra. Sóng tần số cao nhạy hơn với các khuyết tật nhỏ còn sóng tần số thấp có thể xâm nhập đến độ sâu lớn hơn.

Thử nghiệm có thể được thực hiện với một đầu dò ở chế độ xung-vọng hoặc hai đầu dò ở chế độ truyền qua. Phương pháp xung-vọng có thể áp dụng khi khả năng truy cập bề mặt kiểm tra bị giới hạn ở một phía của cấu trúc. Trong phương pháp kiểm tra này, một đầu dò duy nhất hoạt động như một bộ thu phát được quét theo mặt phẳng song song với bề mặt mẫu thử để phát hiện tín hiệu âm thanh từ các bề mặt trước và sau của mẫu thử và từ các điểm gián đoạn hoặc khuyết tật có trong mẫu thử. Phương pháp truyền qua sử dụng hai đầu dò siêu âm riêng biệt (một phát, một thu) đối diện trực tiếp với nhau và cách nhau bởi mẫu vật. Các khiếm khuyết trong mẫu vật sẽ chặn hoặc làm suy giảm tín hiệu truyền đi, do đó cho thấy sự hiện diện của một khiếm khuyết hoặc lỗ hổng bên trong. UT là một kỹ thuật NDE gặp khó khăn trong việc phát hiện những thay đổi về độ bền của liên kết kết dính, tuy nhiên phương pháp này mang lại thông tin các đặc điểm hình thái và đàn hồi tại giao diện của các liên kết kết dính theo hành vi của chúng trong vật liệu được kiểm tra.

Hai đại lượng cơ bản được đo trong thử nghiệm siêu âm:

1. Thời gian để sóng âm truyền qua mẫu.
2. Biên độ của tín hiệu thu được.

Khi KB xuất hiện ở các điểm cục bộ được bao quanh bởi các khu vực liên kết tốt, ứng suất dư nén có thể tồn tại ở giao diện bị lỗi làm nó khó có thể phát hiện bởi siêu âm cho đến khi biến thành bong tách thực do tải hoặc điều kiện môi trường. KB tạo ra độ tương phản rất thấp trong quá trình kiểm tra siêu âm vì có sự tiếp xúc cơ học giữa các đối trọng mà không có liên kết thực tế. Kiểm tra tần số cao, góc cao được đề xuất để tăng khả năng phát hiện của KB tại các giao diện kết dính.

Kiểm tra UT được sử dụng để nghiên cứu sự hiện diện của KB trong các mối nối liên kết. Các mẫu được quét siêu âm nhúng ở chế độ truyền qua sử dụng đầu dò hội tụ tần số 10 MHz. Thiết lập siêu âm được sử dụng là các thiết bị có hỗ trợ phân tích dạng sóng để có thể quan sát chi tiết dạng kết nối.

Để thiết lập đường cơ sở cho mẫu UT với mục đích so sánh, một số mẫu cần được chuẩn bị với các khuyết tật đã biết trước.

Kết quả kiểm tra cho thấy các khuyết tật mô phỏng bong bóng khí bên trong lớp kết dính có thể nhận thấy rõ ràng trong hình ảnh C-Scan. Dữ liệu kiểm tra được mã hóa màu và và khi liên kết trở nên yếu hơn (suy giảm cao hơn, biên độ thấp hơn) thì màu sắc thay đổi. Các hình ảnh không cho phép đánh giá chính xác độ bền liên kết dựa trên các mã màu; tuy nhiên, có thể dễ dàng nhận diện màu sắc thay đổi khi độ bền liên kết giảm xuống.