碳纖維增強樹脂基復合材料結構的超聲檢測

劉晶晶

(上海材料研究所， 上海 200437)

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碳纖維增強樹脂基復合材料結構的超聲檢測

劉晶晶

(上海材料研究所， 上海 200437)

隨著復合材料結構及其制件在航空航天領域中的廣泛應用，對復合材料的無損檢測技術也提出了更高的要求。通過制作埋有不同大小人工缺陷的碳纖維增強樹脂基復合材料的膠接結構、層壓結構和蜂窩夾層結構試塊，并對這些試塊進行超聲檢測試驗，分析了如何設置超聲檢測參數才能有效檢出預埋缺陷的方法。結果表明：選取合適的檢測設備和檢測參數，能夠全部檢出人工預埋缺陷，驗證了超聲方法對碳纖維復合材料結構檢測的有效性。

復合材料；超聲檢測；膠接結構；蜂窩夾層結構

近年來，碳纖維復合材料被廣泛應用于航空制造業的關鍵結構件中，先進復合材料以其優異的性能，可以有效實現飛機的輕量化和高性能化。然而，樹脂基碳纖維復合材料是復雜各項異性的多相體系，質量存在離散性的特點，成型過程極其復雜，在制造工藝以及運輸、操作過程中都可能產生缺陷；服役過程中靜載荷、機械損傷、疲勞、蠕變、過熱等因素均會引起復合材料結構損傷。這些缺陷和損傷大大降低了結構件的使用壽命，甚至還可能給飛機等各種航空結構件帶來災難性的后果。因此，缺陷無損檢測(NDT)和質量無損評價(NDE)是必不可少的環節，且已經融入到復合材料從研究到制造的全過程中。在近40年的復合材料無損檢測研究中，人們嘗試了很多無損檢測技術和方法，超聲檢測因具有靈敏度高、檢測缺陷范圍廣、穿透能力強、檢測效率高、操作簡單等優點而成為應用最廣泛的方法。當前復合材料超聲無損檢測的研究主要集中在三個方面：超聲新技術、超聲信號處理方法和均質體系的微觀模型，而對于超聲波與復合材料內部各種不連續結構(氣孔、分層、夾雜、纖維與樹脂界面等)間相互作用的聲學物理特征并沒有過多的關注。復合材料結構件主要有層壓結構、蜂窩夾層結構、膠接結構、縫編結構等。復合材料結構的制造在很多場合下離不開膠接技術；膠接結構件在膠接制造過程中常見的缺陷主要有膠接強度低、表面局部損傷、膠接件變形、膠層疏松等。復合材料蜂窩夾層結構具有極高的比強度和比剛度、耐疲勞性能好、抗疲勞和抗顫振能力高、耐沖擊、消聲吸聲、吸收和透射電磁波、隔熱防熱等優點，比金屬蜂窩夾層結構具有更好的耐腐蝕性能。對復合材料蜂窩夾層結構的檢測方法主要有：阻抗法、諧振法、超聲法、X射線法等。目前，應用最廣泛的是超聲檢測法，如水浸或噴水的脈沖回波或脈沖穿透衰減的C掃描法，它能在x/y平面上自動檢測，適用于大部件的檢測，并能有效地檢測位于x/y平面的孔隙、分層和脫粘等缺陷。

筆者采用超聲A掃描和C掃描檢測方法對碳纖維增強樹脂基復合材料膠接結構和蜂窩夾層結構中埋入的人工缺陷進行檢測，以為同行檢測此類結構中的分層、夾雜等缺陷提供參考。

1　超聲檢測方法原理和特點

聲波在介質中傳播，當傳播路徑上的物理介質，如聲阻抗等發生變化時，聲波就會改變原來的傳播特性，如產生折射、反射、散射等；介質變化越復雜，聲波產生的變化也越復雜，如產生模型轉換等。超聲檢測就是利用聲波在物理介質中的傳播特性來進行檢測的。由于聲波的傳播特性與被檢測材料或結構有著密切聯系，因此通常需要根據被檢測對象研究制定相應的檢測方法和檢測技術。

超聲反射法是用于復合材料中的一種最為重要和普遍的檢測方法，其工作頻率一般在1MHz～10 MHz范圍，常用頻率為5 MHz，通過分析傳感器接收的回波信號進行缺陷識別。

2　復合材料膠接結構的超聲檢測

筆者制作了L型結構和工字形結構的碳纖維增強樹脂基復合材料試件，主要模擬了L型結構和工字形結構中的夾雜缺陷，將未固化的L型結構件與經過預固化的復合材料層壓板通過共膠接的方式連接在一起。采用厚0.127 mm的聚四氟乙烯薄片模擬人工缺陷，缺陷位于T型結構下表面與層壓板的膠接面，模擬缺陷均勻排布于兩側。含人工缺陷的L字型和工字型膠接結構如圖1，2所示。

圖1　預埋缺陷的L型膠接結構試塊結構示意

圖2　預埋缺陷的工字型膠接結構試塊結構示意

兩塊試塊都完成了超聲A掃描檢測，均采用接觸式脈沖回波法，所有人工缺陷均能檢測出來。整個檢測過程采用了兩種探頭，一種為楔形探頭，用來檢測膠接平面處的缺陷；另一種為筆式探頭，用來檢測拐角R區的缺陷。楔形探頭頻率為7.5 MHz，筆式探頭為高頻探頭。

在板和立柱間、R區域均埋入3個聚四氟乙烯人工缺陷，缺陷大小分別為φ6，φ9，φ12 mm。用超聲檢測A掃描方法對此兩塊試板進行了檢測，其中所有缺陷均可檢測出。

3　層壓結構和蜂窩夾層結構的超聲檢測

層壓結構的缺陷主要是分層、夾雜、孔隙等，蜂窩夾層結構的損傷主要包括蒙皮和蜂窩芯的損傷、分層及脫膠等。

3.1層壓板試塊的檢測

層壓板試塊中間預埋了不同尺寸大小的缺陷，層壓板試塊結構示意如圖3所示。在板子中間兩排從左到右依次埋入φ6，φ9，φ12 mm缺陷。

圖3　層壓板試塊結構示意

對兩塊試板進行超聲檢測，采用脈沖穿透底波成像C掃描法，缺陷可全部檢出。檢測參數為：增益27 dB、掃查步距1 mm、掃查極限速度是200 mm·s-1。檢測結果如圖4所示，缺陷所在位置為白色區域，從圖4可以看出整個板子貼合較均勻。

圖4　層壓板檢測結果

3.2蜂窩夾層結構試塊的檢測

蜂窩夾芯結構是由上下2層面板和中間蜂窩芯粘合而成的(見圖5)，面板一般為玻璃纖維板或碳纖維薄板，芯材為蜂窩。在制造工藝不當或服役載荷作用下，復合材料蜂窩結構容易形成缺陷，這些缺陷的存在威脅著復合材料蜂窩結構的安全，因此，對復合材料蜂窩結構的無損檢測非常重要[1]。

圖5　蜂窩夾層結構示意

對一塊蜂窩夾層結構試板進行超聲C掃描檢測，檢測所用的參數為：增益47 dB、掃查步距1 mm。檢測結果如圖6所示，可以看出人工缺陷全部檢出。

圖6　蜂窩夾層結構試塊檢測結果

4　結語

(1) 對埋入人工缺陷的碳纖維增強樹脂基試板進行超聲檢測，應用超聲C掃描檢測方法可以檢測出蜂窩夾層結構試塊和層壓板試塊中的缺陷，應用超聲A掃描可以檢測出L字型和工字型結構試板中的人工缺陷。

(2) 復合材料結構的種類很多，實際檢測中應針對各種復合材料的特點，選擇合適的檢測方法，或使用多種方法配合檢測，同時在實際操作中應考慮影響檢測結果的主要因素，包括環境、材料、工藝等。

[1]曲亞林,寧寧,詹紹正. 蜂窩夾芯結構的無損檢測技術[J].航空制造技術，2011(20)：78-81.

Ultrasonic Testing of Carbon Fiber Reinforced Resin Matrix Composite Material Structure

LIU Jing-jing

(Shanghai Research Institute of Material, Shanghai 200437, China)

With the composite structure and its parts being widely used in aerospace, higher requirement for the nondestructive testing technology has been put forward. Different sizes of artificial defects were buried in glued buried structure,laminated structure, and honeycomb sandwich structure in the carbon fiber reinforced resin matrix composite material test blocks, and these test blocks were tested with ultrasonic and the way how to set the parameters to detect embedded defect effectively was discussed. The results showed that through properly selecting the appropriate detection equipment and testing parameters, all the embedded artificial defects could all be detected.

Complicated material;Ultrasonic testing;Bonding structure; Honeycomb sandwich structure

2016-06-24

劉晶晶(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事無損檢測科研與情報工作。

劉晶晶, E-mail: jingjing_121992@163.com。

10.11973/wsjc201610015

TG115.28

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1000-6656(2016)10-0064-03