碳纖維復合材料的超聲特征掃描成像檢測研究

廖嘉 湯路

摘 要：研究特征掃描（F掃描）超聲成像檢測技術；研制了復合材料的F掃描超聲自動成像檢測系統；利用F掃描成像系統對碳纖維復合材料及結合層及層與層膠接和修補層質量的檢測進行了研究；采用聚焦探頭可檢測碳纖維復合材料修補中的分層脫粘等缺陷，對檢測結果進行多種形式（C掃描、相位特征和CT）成像。

關鍵詞：F掃描；層狀板；聚焦換能器；聲成像

中圖分類號：TG115.28文獻標識碼：A

Abstract：F-scan ultrasonic imaging testing technology was studied.F-scan ultrasonic imaging auto-testing system for composite material was developed.Detection of carbon fiber composite material and the glued joint layer was studied using F-scan ultrasonic imaging system.Layered defects of the carbon fiber composite material and the glued joint layer could be identified with focused transducers，and testing results could be displayed by various imaging modes （C、phase feature and CT）.

Key words：F-scan；multi-layer plate；focused transducer；ultrasonic imaging

緒論

近二十年來，先進的碳纖維增強復合材料在新材料結構中異軍突起，具有剛度大、強度高、重量輕、耐腐蝕等特點，[1]在工業上得到了廣泛的應用，在航空、航天等工業領域中，勢頭更為迅猛。

碳纖維復合材料使得工業界對此復合材料的超聲無損檢測與評價技術提出了更高的要求，利用超聲特征掃描成像檢測系統對碳纖維復合材料的質量進行檢測，可以充分利用了超聲回波所提供的有關缺陷和材料的有用特征信息進行成像，利用計算機進行信號提取和重構并最終成像的新方法。因此，既能減少誤判、漏檢問題，又能實現對復合層進行自動檢測，并通過把握各個特征，給出定量化結果，以直觀圖像形式記錄，來解決工業部門生產過程中檢測環節遇到的實際工程問題。

超聲特征掃描成像檢測方法及設備

特征掃描成像技術是20世紀80年代發展起來的新技術，是由傳統的C掃描成像發展而來。超聲特征掃描成像檢測技術采取特征掃描的方法，利用計算機全波列采集檢測信號，提取和存儲許多特征，經過信號處理后，按多種特征進行成像顯示，這里所說的特征是指超聲波形的特征，包括超聲波形的上升時間、下降時間、脈沖周期和頻譜特性等。[2]

除了檢測局部缺陷外，還能夠對檢測信號進行頻譜分析、數字濾波；通過各種特征量的提取和重構，能夠實現缺陷的自動識別，從而提高了定量的精度。超聲特征掃描包括兩方面的特征，一是超聲波波型的特征，主要指超聲波形上升時間、下降時間、脈沖周期和頻譜特性等；二是缺陷的特征，包括缺陷的類型、形狀、大小等。[2]超聲特征掃描的特點是檢測結果定量化，全部記錄和存儲檢測信息，檢測結果具有可識別性。

F掃描技術的關鍵是待測工件缺陷特征的研究、提取和確定。需要專用換能器提取復合材料檢測時的波形信息，進行檢測信號的全波列采集，并存儲在計算機里，通過計算機完成信號的處理，并以圖像方式顯示各種特征參量。[2]

超聲特征掃描成像系統總體框圖[2]見圖2-1。

3 碳纖維修補復合板的F掃描檢測

試樣制作：層狀碳纖維復合板的厚度有厚薄不等，其人工缺陷均為聚四氟乙烯膜，其膜片分別置于膠層的上層或下層，目的是用超聲特征掃描成像系統檢測出其不同深度的膜與膠層的粘帖質量。

圖3-1是熱壓罐預浸料復合板的深度像圖（上圖）和某一點的時域波形圖（下圖），在深度像圖中閘門范圍內不同深度用不同顏色表示，其中，有多種顏色處表示聚四氟乙烯膜的粘帖情況，不同的顏色代表不同的粘帖深度，下部的波形圖表示缺陷處某點的波形，圖中的框圖是成像閘門的寬度和幅值，在掃描成像前，需要調節閘門到合適的高度以便于達到更好的成像效果。

但當掃描完畢后，需要重新調整閘門的高度，然后進行重新處理以便得到理想的成像效果。圖3-2是熱補儀預浸料復合板的深度像圖（上圖）和某一點的時域波形圖（下圖），其分析同圖3-1。

4 碳纖維/鋼復合板修補層的F掃描檢測

對于分層缺陷，判定準則包括幅度判斷、位置判斷和底波判斷。幅度成像時，先在時域內（深度）選取一個范圍，將選取范圍內出現的最大的波（缺陷波或底波）幅值按滿幅的百分比賦予不同的顏色，做出幅值特征的彩色圖。此檢測的復合材料上下板均為碳纖維復合材料，中間的墊板為鋁，厚度不等，如圖4-1所示，圖中直觀顯示出了碳纖維復合層狀板A1中缺陷（墊板鋁）的幅值分布及某點處的時域波形圖，從成像圖中可以清楚的看到三條不同寬度的墊片粘帖情況，其中幅值在80%以上表示由于缺陷的存在使得幅值下降嚴重，即可以推斷出墊片與碳纖維復合板上下層的粘合情況。

圖4-2為碳纖維復合板A2的幅度成像圖及某點處的時域波形圖，此碳纖維復合板其缺陷為聚四氟乙烯膜，且膜片分別置于膠層的上、下層。從圖中可以清楚的看出缺陷的位置、大小和形狀。

對于分層缺陷而言，由于其面積較大且垂直于超聲波的傳播方向，因而底波下降嚴重，因種種原因無法找到缺陷波時，可通過底波的幅值判斷缺陷的存在。圖4-3是碳纖維復合板A2的底波幅值特征圖，方法是選取的成像范圍僅包含底波，并給定一個閾值，超過閾值的點顯示在圖中。

5 層析成像

超聲特征掃描成像系統還可進行層析成像。層析成像的方法：先選擇層析的深度及厚度，然后調整閘門高度。圖5是碳纖維復合板A2的層析圖，選擇的層析范圍為3.4-5.9mm。在此范圍內，存在圖中所示的十二個缺陷，其缺陷深度可以從色標中讀出。

6 結論

利用超聲特征掃描成像檢測系統對碳纖維復合板中的結合層質量進行了掃描成像，系統可準確地復合板內的分層缺陷，并可進行多種方式成像及層析成像，即此超聲特征掃描成像檢測系統可以用于企業中復合材料的日常檢測工作中。

參考文獻：

[1]劉松平，郭恩明.復合材料無損檢測技術的現狀與展望[J].航空制造技術，2001（3）：30-32.

[2]陸銘慧.復合材料層狀薄板超聲特征掃描成像檢測.無損檢測，2005，27（9）：449-453.

[3]陳以方，駱巍，陳玉寶，洪玉萍.復合材料的特征掃描聲成像檢測.無損檢測，2001，23（10）：427-431.

[4]劉新.雙金屬轉子復合層超聲特征成像系統.無損檢測，2007，29（6）：309-311.

[5]Teagle PR.The quality control and non-destructive evaluation of composite aerospace components.Composites，1983，14（4）：115.

[6]Gilmore R.S.Acoustic Microscopy from 10 to 100MHz for Industrial Application.Phil Trans R Soc Lond，1986，A320（4）：215-235.

作者簡介：廖嘉（1984-），女，碩士，中級工程師，主要從事特種設備檢驗檢測工作及研究。