淺談碳纖維復合材料的無損檢測

陳桂新

深圳市龍崗區工程質量監督檢驗站

摘要：碳纖維復合材料在建筑、交通運輸、宇航工業等方面得到廣泛的應用。為保證復合材料的安全應用，復合材料的檢測研究受到人們的廣泛重視。本文主要探討碳纖維復合材料的無損檢測技術。

關鍵詞：碳纖維復合材料；無損檢測

1 碳纖維復合材料無損檢測現狀

1.1紅外熱波檢測方法

紅外熱波無損檢測的基本原理是對檢測材料進行主動加熱，利用被檢測材料內部熱學性質差異以及熱傳導的不連續性使物體表面溫度產生差異，進而在物體表面的局部區域形成溫度梯度。溫度不同時紅外輻射能力也隨著發生變化，借助紅外熱像儀對被測試件進行探測，根據紅外熱像儀探測的輻射分布來推斷被測試件的內部缺陷。

李艷紅等[1]用紅外熱波無損檢測技術對碳纖維層壓板的圓形缺陷進行了檢測研究。試驗結果顯示，該技術能以直觀易懂的圖像形式展現出被檢材料內部的缺陷情況。原始圖像和一階微分圖像能較清楚地顯現出輪廓及溫度變化過程，還可以做缺陷尺寸標定及深度測量。但由于熱圖對材料非均勻性的敏感，也可能會對某些試件缺陷造成誤判。通過利用紅外熱波檢測方法對碳纖維層壓板沖擊損傷研究。結果表明，紅外波檢測方法可以清晰地表征碳纖維層壓板的纖維走向，還可以確定沖擊損傷在試件內部隨深度的變化過程。李曉霞等[2]對低速沖壓后的碳纖維復合材料進行了紅外熱波檢測分析，研究了損傷面積和沖擊能量之間的關系。結果表明，紅外熱波不僅對沖擊損傷的大小具有檢測能力，還可以對損傷材料內部沖擊點處的擴展損傷模式進行有效的檢測。霍雁等[3]利用脈沖紅外熱成像技術，對碳纖維復合材料試樣內部的模擬脫粘缺陷深度進行測量研究。利用該方法測量脫粘缺陷深度的精度由單點法標定測量結果，實現了在被檢測材料熱屬性參數未知的情況下能較準確地測量脫粘缺陷深度。金國鋒等[4]為了實現對復合材料內部界面貼合性缺陷的快速檢測和識別，采用超聲紅外熱波方法進行檢測研究。結果表明，超聲熱波方法適于復合材料裂紋、分層、沖擊損傷等界面貼合型缺陷的快速檢測和識別，而對脫粘等非界面貼合型缺陷檢測無效果。

綜上，紅外熱波檢測技術可以對碳纖維復合材的裂紋、分層等內部缺陷進行無損檢測，但是根據紅外熱波檢測的原理可知，檢測過程要經過加熱、熱傳導、形成溫度梯度，進而產生輻射等多個步驟，因此，在檢測過程中需要一定的時間，不能進行快速的掃描檢測。

1.2滲透和層析檢測方法

采用滲透和層析檢測碳纖維復合材料缺陷，是利用各組分物理性質的不同，將多組分混合物進行分離及測定的方法。

通過在研究碳纖維復合材料缺陷產生機理的基礎上，利用氯化金滲透液優良的滲透性能，對碳纖維復合材料鉆孔分層進行滲透檢測研究，并總結出鉆孔立體分層模型。許羽等[5]在電磁層析成像系統中，對帶缺陷的碳纖維復合材料進行圖像重建仿真。結果表明，采用精確重建算法的電磁層析無損檢測技術，可以探測碳纖維復合材料中的缺陷。

滲透檢測方法可以檢測碳纖維復合材料由于鉆孔產生的分層缺陷。但是，滲透檢測方法是一種表面無損檢測方法，只適用于檢測表面開口的缺陷，無法對內部缺陷進行有效檢測。

1.3聲發射檢測方法

聲發射檢測是通過接收和分析材料的聲發射信號，評定材料性能和結構完整性的一種無損檢測方法。材料中因裂縫擴展、塑性變形或相變等引起的應變快速釋放而產生的應力波現象稱為聲發射。

王兵等[6]利用聲發射技術對典型的碳/環氧碳纖維復合材料的I/II混合模式分層行為和層間斷裂韌性進行實驗研究。結果表明，碳纖維鋪層在損傷與斷裂不同階段所釋放的聲發射信號特征不同，聲學檢測能有效地監測其剪切、混合分層和張力分層過程。聲發射檢測能有效判斷碳纖維復合材料的內部活動過程，判定損傷類型，在碳纖維復合材料結構與完整性評價中有良好的應用價值。通過對碳纖維復合芯損傷進行了聲發射信號研究。結果表明，不同應力損傷與聲發射信號功率譜頻率之間有一定的對應關系，而樹脂基體斷裂和碳纖維斷裂兩種不同缺陷的聲發射信號有明顯的區別。

聲發射檢測技術可以有效地檢測出碳纖維復合材料的內部缺陷及損傷類型。但是，對聲發射法來說，缺陷所處的位置和方向并不影響聲發射的檢測效果，即用聲發射檢測技術無法檢測出缺陷的位置。

1.4微波無損檢測方法

微波檢測技術是以微波物理學、電子學和微波測量為基礎的微波技術應用。以微波作為信息載體，對各種材料構件和自然現象進行檢測和診斷，對物體性能和工藝參數等非電量進行非接觸、非污染的快速測量和監控，是一門新興的綜合性技術科學。微波檢測的原理是研究微波與物質之間的相互作用，通過微波的物理特性（如反射、散射、衍射、透射及多普勒效應等）及被檢測材料的電磁特性（如介電常數和損耗的相對變化）來測量微波基本參數的變化，以實現對被測材料的性能、缺陷等非電量的檢測。

根據微波檢測的原理不同，微波檢測可以分為微波穿透法、微波散射法和微波反射法等。微波穿透檢測方法是利用微波信號在被測材料中單程傳播后，微波信號的變化來表征被測材料內部的特性，其檢測原理如圖1所示。

圖1微波穿透法工作原理圖

微波散射檢測方法是利用介質桿窄波束探頭作為傳感器發射微波，再用檢波器接收信號，確定試樣散射特性，以判斷材料的內部缺陷。根據被測試樣周圍的檢波器得到的散射數據，通過逆問題求解，重建被測試樣的復介電常數分布的圖像（強度分布），從而推斷出被測試樣的某些重要性質，其檢測原理如圖2所示。

圖2微波散射法工作原理圖

微波反射檢測方法是利用微波信號在被測材料中雙程傳播后，微波信號的變化來表征被測材料的內部特性。微波的反射信號不僅攜帶了被測材料內部的性能特性，還攜帶了各界面間的結合性能特性，以及金屬基體表面的健康狀況等特性，分為遠場檢測和近場檢測。用遠場反射系數法檢測水泥中鋼筋位置，利用遠場檢測實現了對水泥中鋼筋的成像，為使反射信號不受外界因素的影響，在被測試樣的后面加了一層吸波材料；用同軸探頭檢測IC封裝脫粘，采用的是微波近場檢測方法，利用帶法蘭的同軸探頭對脫粘現象進行微波無損檢測。

王曉紅等[7]對碳纖維復合材料的反射特性進行了研究，研究各種鋪層方向的碳纖維復合材料的微波反射特性，結果表明，單向纖維鋪層的碳纖維復合材料的反射率與纖維方向及層板厚度有關；交叉鋪層的反射率較大，但比金屬的反射率小。利用終端開口矩形波導對碳纖維復合材料與砂漿基體間的脫粘進行了近場微波無損檢測。研究表明，在10 GHz和24 GHz時利用微波檢測技術可以檢測的脫粘最小尺寸為2 cm和0.5。利用雙極化近場微波反射計檢測了碳纖維復合材料與水泥混凝土間的脫粘，該方法可以消除提離距離對檢測結果的影響。利用近場微波成像技術對碳加載復合材料內部的空隙進行檢測研究。結果顯示，不同位置處的能量分布與理論結果相同，由于矩形波導和圓形波導極化方向的不同，在檢測空隙時圓形波導更具有優勢。通過利用太赫茲成像技術對多種復合材料的內部缺陷進行檢測。結果表明，信號的反射脈沖可以表征鋼板與陶瓷層間的脫粘缺陷；太赫茲成像技術可以表征玻璃纖維復合材料內部的缺陷和玻璃纖維的方向、分布等；微波信號可以表征碳纖維復合材料表面粗糙度和纖維的方向。

2 研究展望

由于碳纖維復合材料的制備工藝復雜，工作環境惡劣，在其應用領域起著至關重要的作用，因此，急需一種合適的無損檢測技術對碳纖維復合材料的質量和健康狀況進行評價。現有的檢測方法都可以達到無損檢測的要求，并且可以對碳纖維復合材料內部的缺陷達到檢測的目的。但是，各種方法還存在著局限性，紅外檢測方法速度較慢；滲透檢測只能檢測表面有開口的缺陷；聲發射檢測不能確定內部缺陷的位置，微波檢測技術在碳纖維復合材料的檢測研究相對不夠深入。

利用微波技術對碳纖維復合材料進行無損檢測已經成為無損檢測領域的熱點和難點之一，到目前為止，對碳纖維復合材料的檢測主要是碳纖維復合材料與其他材料之間的脫粘檢測。對碳纖維復合材料本身的特性檢測還很不完善，還有很多問題有待深入研究。

1）只對碳纖維復合材料與其他材料之間的脫粘和分層做了檢測研究，目前對碳纖維復合材料內部各層間脫粘和分層的微波檢測尚需要進一步的研究。

2）根據能量分布對復合材料內部大的空隙進行了定位檢測，但是對碳纖維復合材料整體的孔隙率進行微波無損檢測的研究尚未見報導。

3）對碳纖維復合材料內部的夾雜和裂紋進行微波無損檢測的研究較少，需要對其檢測的基本理論進行研究。目前沒有一種好的理論計算方法來指導微波檢測過程，即理論模型的研究有待深入。

4）在檢測過程中為了提高檢測的靈敏度，需要對檢測參數進行優化設計。

參考文獻：

[1]李艷紅，趙躍進，馮立春，等.碳纖維基體涂層質量的紅外熱波檢測研究[J].中國激光，2009，36（6）：1489一1492.

[2]李曉霞，伍耐明，段玉霞，等.碳纖維層合板低速沖擊后的紅外熱波檢測分析[J].復合材料學報，2010，27（6）；88一93.

[3]霍雁，張村林.碳纖維復合材料內部缺陷深度的定量紅外檢測[J].物理學報，2012，61（14）；1一7.

[4]金國鋒，張煒，楊正偉，等.界面貼合型缺陷的超聲紅外熱波檢測與識別[J].四川大學學報：工程科學版，2013，45（2）；167一175.

[5]許羽，劉澤，程軼平.電磁層析無損檢測系統中碳纖維復合材料缺陷重建的仿真[J].無損檢測，2008，30（6）；23一26.

[6]王兵，劉延雷，李偉忠，等.碳纖維復合材料彎曲損傷的聲發射試驗研究[J].中國石油和化工標準與質量，2013，6；30-31.

[7]王曉紅，劉俊能.碳纖維復合材料的微波反射特性研究[J].功能材料，1999，30（4）；387一388，399.