CFRP網格面板蜂窩夾芯結構鎖相紅外檢測方法

馮君偉 盛 濤 汪麗麗 錢云翔 鄭金華

（1 上海復合材料科技有限公司，上海 201112）

（2 上海材料研究所，上海 200437）

文 摘 依據CFRP網格面板蜂窩夾芯結構、成型工藝、使用環境，以有效檢測其內部脫粘、分層、纖維斷裂缺陷為目標，設計并制作了含有典型缺陷試塊，通過試驗確定了鎖相紅外熱成像檢測的鎖相周期、鎖相頻率等檢測參數，建立了鎖相紅外熱成像檢測方法。試驗表明：該方法能夠有效的檢測并分別出CFRP網格面板蜂窩夾芯結構中的脫粘缺陷、分層缺陷、纖維斷裂。

0 引言

復合材料被廣泛運用，其制件內部易存在影響其使用性能與可靠性的缺陷，對這些缺陷進行無損檢測具有非常重要的意義。

CFRP網格面板蜂窩夾芯結構，表面的碳纖維網格面板為空心結構，因為采用傳統的超聲檢測，無法避免檢測用的耦合劑流入產品內部，且超聲探頭無法穩定接觸產品表面，故常用的檢測方法不適合。

本文采用鎖相紅外熱成像技術對CFRP網格面板蜂窩夾芯結構產品檢測，制作了相應結構和缺陷類型的試塊，確定了檢測系統的參數，實現了缺陷的檢測。

1 鎖相紅外熱成像檢測技術

1.1 成像檢測方法

如圖1所示，使用LED陣列光源對CFRP網格面板進行周期性調制熱激勵。

圖1 鎖相紅外熱成像技術示意圖Fig.1 Phase-locked infrared thermal imaging technology

利用高能量脈沖光加熱產品表面，熱波傳播至產品內部，在無缺陷區域，熱波均勻傳播，最終表面溫度均勻；在有缺陷區域，熱傳導被缺陷阻斷，最終表面呈現溫差［1］。對紅外熱像儀記錄的序列熱圖像加以處理得到振幅和相位信息圖像，其中，振幅表征了反射和入射熱波的矢量和，相位則表征了反射和入射熱波之間的相位差。鎖相紅外熱成像檢測技術（LT），受環境影響小，空間分辨率高，成像效果清晰，靈敏度較高［2］。

1.2 成像檢測系統

鎖相紅外熱成像檢測系統如圖2所示，主要由紅外熱像儀、機械傳動系統、鎖相控制系統、LED陣列光源、控制與圖像處理系統組成。系統軟件功能包括圖像采集、圖像處理、運動控制和參數設置［3］。數據采用1 024點／2 048點FFT進行處理，得到振幅圖像和相位圖像。

圖2 鎖相紅外成像系統圖Fig.2 Phase-locked infrared thermal imaging system

2 缺陷識別及試樣制備

2.1 結構中的缺陷類型

本文所檢測的產品CFRP網格面板蜂窩夾芯結構如圖3所示，主要包含3個部分：聚酰亞胺薄膜、碳纖維網格面板、鋁蜂窩芯。具體膠接方式為：首先在網格面板膠接面使用毛刷涂刷膠液，然后鋁蜂窩芯正面和背面粘貼網格面板，接著上下表面鋪不透氣脫模布和均壓板，抽真空并進固化爐幾小時；緊接著脫模，再在基板膠接面涂刷膠液，鋪貼聚酰亞胺薄膜并鋪透氣脫模布和均壓板，最后抽真空進固化爐。此種結構的材料不僅具備碳纖維蒙皮蜂窩夾芯結構的特性，還具有其他更多的優勢，如隔熱性、絕緣性以及整體質量更輕。此種結構的產品是衛星太陽能電池的部件之一。

圖3 結構及缺陷位置示意圖Fig.3 Structure and defect location diagram

碳纖維網格面板由碳纖維正交纏繞而成，寬度為2 mm，厚度為0.2～0.3 mm［4］。正交纏繞的粘接區域小，整體結構相對碳纖維蒙皮質地更輕。碳纖維網格面板的膠接質量決定了產品質量的穩定性。產品的整體結構存在3類缺陷，碳纖維網格面板斷裂缺陷、碳纖維網格面板內部的分層缺陷、脫粘缺陷。根據脫粘缺陷出現的位置不同可分為：（1）聚酰亞胺薄膜與碳纖維網格面板之間脫粘，（2）碳纖維網格面板與鋁蜂窩之間脫粘［5］。

2.2 試塊制備

根據產品在生產和使用中可能會出現的三種缺陷類型，設計并制作了4塊試塊（圖4），試塊1為制作的過程中加入不同大小的聚四氟乙烯薄膜來模擬不同位置的缺陷。其余3塊試塊是在已經成型的產品中切割出來的一部分，試塊2局部不涂刷膠液，模擬產品中的缺陷；試塊3、試塊4和試塊5根據缺陷的不同使用刀片在不同位置進行切割，讓產品產生缺陷，真實模擬產品中的缺陷。

圖4 試塊1～試塊5Fig.4 Testing blocks

試塊1中的人工缺陷薄膜為聚四氟乙烯薄膜。在碳纖維網格內部及兩側加入直徑分別為40、30、20、10 mm的缺陷各5個。自左向右，第一列為碳纖維網格面板內部加2層0.03 mm厚的薄膜；第二列為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網格面板之間加2層0.03 mm厚的薄膜；第三列為鋁蜂窩與碳纖維網格面板的粘接面，加薄膜處不涂刷膠液，同時加2層0.03 mm厚的薄膜；第四列為碳纖維網格面板與鋁蜂窩之間加2層0.03 mm厚的薄膜；第五列為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網格面板的粘接面，加薄膜處不涂刷膠液，加2層0.03 mm厚的薄膜［6］。

試塊2為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網格面板之間的脫粘缺陷試塊，試塊3為碳纖維網格面板內部的分層缺陷試塊，試塊4為碳纖維網格面板與鋁蜂窩之間的脫粘缺陷試塊，試塊5為碳纖維斷裂缺陷試塊。

3 參數選擇與結果分析

在檢測的過程中，通常先設置較高的鎖相頻率，再逐漸降低頻率，較低的頻率能夠增加材料的熱擴散長度和檢測更深的區域，增強檢測效果［7］。

3.1 鎖相頻率參數選擇

對試塊1采用鎖相周期為7個，鎖相頻率為0.5、0.3、0.1 Hz分別進行檢測，得到結果如表1和圖5所示。分析差異后選擇鎖相頻率0.3 Hz。

表1 不同鎖相頻率的檢測結果數據統計Tab.1 Data statistics of detection results of different phase-locked frequencies

圖5 不同鎖相頻率檢測結果Fig.5 Different phase-locked frequency detection results

3.2 鎖相周期參數選擇

對試塊1使用鎖相頻率為0.3 Hz，采用4、7、10三種不同的鎖相周期分別進行檢測，得到結果如圖6所示。得到的振幅圖（a）和相位圖（b）的檢測結果（表2）基本一致，說明鎖相周期對產品檢測結果影響較小。

圖6 不同鎖相周期的檢測結果Fig.6 Detection results of different phase lock cycles

表2 不同鎖相周期的檢測結果統計Tab.2 Results of different phase lock cycles

一方面保證探傷的精度和可靠性，另外一方面考慮檢測的效率，選擇鎖相周期為10時間花費大，效率低。小于3個鎖相周期，系統算法不能工作，因此系統算法要求鎖相周期不能小于3。當鎖相周期越小時，數據樣本越小，進行數據處理時，FFT計算精度越低。鎖相周期為4和7相比，在檢測效率滿足的情況下，盡量多的鎖相周期能夠相應提升圖像的信噪比，達到相對較好的檢測效果。因此選擇鎖相周期為7個。

3.3 試塊檢測結果

采用鎖相紅外熱成像檢測方法，通過確定的檢測系統的參數對試塊2～試塊5進行成像檢測，結果由圖7可見，試塊2可以檢測出聚酰亞胺薄膜與碳纖維網格面板之間的脫粘缺陷，振幅圖圓圈標記的白色區域為試塊中的脫粘缺陷。試塊3可以檢測出碳纖維網格面板內部的分層缺陷。相位圖圓圈標記的暗黑色的區域為分層缺陷。試塊4可以檢測出碳纖維網格面板與鋁蜂窩之間的脫粘缺陷。振幅圖圓圈標記的暗黑色的區域為脫粘缺陷。試塊5檢測出碳纖維斷裂缺陷。振幅圖圓圈標記的區域為缺陷的位置。

圖7 不同試塊檢測結果Fig.7 Different test block results

4 結論

通過鎖相紅外熱成像檢測方法在CFRP網格面板蜂窩夾芯結構的檢測應用，表明該方法在鎖相頻率為0.3 Hz和鎖相周期為7的條件下，能夠有效檢測出CFRP網格面板蜂窩夾芯結構中的脫粘缺陷、分層缺陷和碳纖維斷裂。