金屬夾心CFRP復合材料超聲檢測方法

高曉進

金屬夾心CFRP復合材料超聲檢測方法

高曉進

(航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074)

新型機翼、彈翼等結構已采用金屬夾心碳纖維增強(Carbon Fiber Reinfored Polymer, CFPR)復合材料結構。針對該類復合材料結構的材料組成和結構特點，分析和對比常用的超聲穿透法和超聲反射法能否對金屬夾心CFPR復合材料內部質量進行檢測，提出了先采用超聲C掃穿透法確定缺陷的平面位置，然后采用高分辨率超聲A掃反射法確定復合材料中分層缺陷及采用超聲相位法確定復合材料與金屬間的脫粘缺陷的方法。采用提出的方法檢測帶有預置缺陷的試樣和實際產品。檢測結果表明，提出的方法可準確檢測試樣中大小為5 mm×5 mm的預置人工分層和脫粘，且能準確檢測實際產品中的缺陷。

復合材料；金屬夾心；相位法；超聲檢測

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料碳纖維增強(Carbon Fiber Reinfored Polymer, CFPR)是由碳纖維增強體、樹脂基體復合而成的材料，具有強度高、密度低、抗疲勞性能好、一次成型等特點，已廣泛應用于國防工業及民用航空領域[1-6]。

由CFRP制備的新型機翼、彈翼等結構，在受力較大的接頭部分通常采用金屬夾心CFRP結構，即內部為金屬，外部為CFRP，共固化成型。該類結構在復合材料內部易產生分層缺陷，在復合材料與金屬粘接面易產生脫粘缺陷。接頭部位的缺陷會影響機翼、彈翼的強度，嚴重時會導致復合材料斷裂，或金屬與復合材料分離，嚴重影響飛行安全。

超聲檢測是復合材料最成熟和最有效的無損檢測技術[7]，本文研究并確定金屬夾心CFRP復合材料的超聲檢測方法，對提高飛行器的機翼、彈翼的內部質量起到重要的作用。

1 超聲檢測方法的分析和確定

1.1 結構中的缺陷

圖1為金屬夾心CFRP復合材料典型結構，結構中復合材料的厚度范圍為2～10 mm，夾心金屬與上下復合材料之間分別形成兩個界面，即Ⅰ界面和Ⅱ界面，界面位置易產生脫粘缺陷，復合材料中纖維鋪層之間易產生分層缺陷。

1.2 超聲檢測方法的分析

復合材料常用的超聲檢測方法有脈沖穿透法和反射法[8]。本文所述的金屬夾心CFRP復合材料中的金屬夾心必須經過無損檢測工序，禁止使用含有超標缺陷的金屬，因此，金屬夾心對復合材料結構的超聲檢測沒有影響，金屬的無損檢測技術很成熟，本文不做研究。

圖1 金屬夾心CFRP復合材料結構

采用超聲穿透法檢測時，耦合方式為采用噴水水柱進行耦合，發射探頭發射的超聲波傳播經過金屬夾心復合材料后被接收探頭接收。如果復合材料層中出現分層缺陷或復合材料/金屬界面(Ⅰ界面、Ⅱ界面)出現脫粘缺陷，這些缺陷會對超聲波造成嚴重的衰減，使得超聲波的幅值消失或降低。檢測時根據超聲波的幅值來判斷材料內部的缺陷情況，該方法可確定缺陷的平面位置，但無法確定缺陷的深度。

結構中的復合材料的厚度較薄(2～10 mm)，且與金屬之間有粘接界面，普通的超聲反射法難以檢測復合材料中的分層缺陷和界面脫粘缺陷。圖2是中心頻率為5 MHz的常用的超聲平探頭，從結構的一側檢測得到的反射信號A掃圖，由圖2可知，檢測分辨率不足以分辨出結構的表面和粘接面。

圖2 超聲平探頭檢測信號

為增加檢測分辨率，采用中心頻率為5 MHz、高阻尼、配有延遲塊的超聲探頭[9]，對金屬夾心復合材料(金屬夾心為鋼)從Ⅰ界面一側進行檢測，界面由CFRP復合材料和鋼組成，CFRP復合材料和鋼的聲阻抗(材料密度×聲速)的值見表1。

表1 各材料的參數

根據反射率公式可計算出CFRP/鋼界面(未脫粘)的超聲信號反射率=86%。采用超聲反射法檢測CFRP/鋼界面的脫粘時，脫粘處的超聲信號反射率≈100%。脫粘處和未脫粘處的超聲反射信號的幅值比為100/86=1.16，即脫粘處和未脫粘處的反射波高相差較小。

高分辨超聲探頭的檢測信號如圖3所示。

(a) 正常區域 (b) 脫粘區域

根據圖3可知，高分辨超聲探頭能夠分辨出入射界面波和粘接波信號，即縱向分辨率能夠達到檢測要求。正常區域的粘接波幅值為滿幅的68%，脫粘區域的粘接波(脫粘波)幅值為72%，從正常區域到脫粘區域，粘接波幅值從68%增加到72%，二者的倍數為72%/68%=1.06，比理論值1.16小。因為理論上需要滿足脫粘區域與正常區域的粘接波幅值比值大于2的條件時[10]才能確定有無缺陷，所以難以判斷是否脫粘。

由上述可知，超聲穿透法和反射法都無法檢測結構中的缺陷。根據結構特點，本文先采用超聲C掃穿透法確定缺陷的平面位置，然后采用高分辨超聲A掃反射法確定復合材料中分層缺陷及采用超聲相位法確定復合材料與金屬間的脫粘缺陷。

超聲C掃穿透法和高分辨超聲A掃反射法較成熟，不做討論。本文討論超聲相位法檢測原理。

式中，為信號的頻譜，為信號的頻譜，為CFRP復合材料對超聲信號的傳遞頻率響應，為粘接界面對超聲信號的傳遞頻率響應。

由超聲波傳播的理論可知[12]，超聲信號在界面的反射率為

2 檢測

2.1 試樣設計

根據驗收技術條件要求，該結構需檢出缺陷的最小尺寸為5 mm×5 mm，所以采用尺寸為5 mm×5 mm的兩層聚四氟乙烯薄膜預置在蒙皮與CFRP粘接的Ⅰ界面和Ⅱ界面模擬脫粘缺陷，置于CFRP內部模擬分層缺陷，如圖5所示。

圖5 設置人為缺陷的復合材料試樣示意圖

2.2 檢測結果

2.2.1 超聲C掃穿透法

(1) 檢測參數

檢測設備：噴水耦合超聲穿透C掃系統；發射探頭和接收探頭中心頻率為2.25 MHz、直徑為10mm平探頭；掃查步進為1 mm；耦合方式為噴水耦合；閾值定義為穿透波幅值為20%；靈敏度定義為調整超聲儀的dB值使正常區域處穿透波幅值為80%；掃查速度≤100 mm·s-1。檢測示意圖如圖6所示。

圖6 超聲C掃穿透法檢測示意圖

(2) 檢測結果

按照確定的檢測參數對試樣進行超聲C掃穿透法檢測，檢測結果如圖7所示。依次對缺陷面積進行測量，測量結果填入表2，經計算，預置人工缺陷面積值與實際值誤差均小于4%，表明超聲C掃穿透法檢測結果能準確顯示缺陷。之后在實際結構上對缺陷的位置進行標記并分別編號。

圖7 試樣超聲C掃圖

表2 試樣超聲C掃圖中缺陷的面積值

2.2.2 高分辨率超聲A掃反射法和超聲相位法

(1) 檢測參數

檢測設備：超聲探傷儀；探頭：中心頻率為5 MHz、晶片直徑為6mm延遲塊高阻尼(高分辨)超聲探頭；掃查步進為1 mm；耦合方式為接觸水耦合；靈敏度定義為調整超聲儀的dB值使正常處的粘接波幅值為70%；高分辨超聲A掃反射法檢測分層的邊界閾值定義為分層波幅值等于40%；超聲相位法檢測脫粘判據為：粘接波相位先負后正時為脫粘；掃查速度≤50 mm·s-1。檢測示意圖如圖8所示。

圖8 高分辨超聲A掃反射法及超聲相位法檢測示意圖

(2) 檢測結果

①分層缺陷：

采用高分辨率超聲A掃反射法，按照確定的檢測參數檢測試樣，對2號(分層)缺陷從界面Ⅰ一側進行檢測，從界面Ⅱ一側對標記好的3號(分層)缺陷進行檢測。得到分層處和分層邊界處的反射信號，如圖9所示(2號和3號缺陷的反射信號相同)。

從界面Ⅰ一側檢測的結果如圖10(a)所示，從界面Ⅱ一側檢測的結果如圖10(b)所示。

(a) 正常處 (b) 分層處 (c) 分層邊界處

由圖10中的檢測結果可知，采用高分辨率超聲A掃反射法檢測出的分層缺陷的邊界與實際情況一致，即該方法能有效檢測金屬夾心CFRP復合材料中的分層缺陷。

(a) 從Ⅰ界面側檢測

(b) 從Ⅱ界面側檢測

圖10 試樣的高分辨率超聲A掃反射法檢測結果

Fig.10 Results of the high resolution ultrasonic A-scan reflection method for sample detection

②脫粘缺陷：

按照檢測參數對試樣進行超聲相位法檢測，從界面Ⅰ一側對1號(脫粘)缺陷進行檢測，從界面Ⅱ一側對標記好的4號(脫粘)缺陷進行檢測。得到脫粘處的反射信號，如圖11所示(1號和4號缺陷的反射信號相同)。

由圖11可知，正常處的粘接面反射波的相位為先正后負，脫粘處的粘接面反射波的相位為先負后正，二者的相位相反，即粘接面反射波相位先負后正時為脫粘缺陷，粘接面反射波相位先正后負時為粘接良好。

從界面Ⅰ一側檢測的結果如圖12(a)所示，從界面Ⅱ一側檢測的結果如圖12(b)所示。

(a) 正常處 (b)脫粘處

(a) 從Ⅰ界面側檢測

(b) 從Ⅱ界面側檢測

圖12 超聲相位法檢測試樣的結果

Fig.12 Results of the ultrasonic phase method for sample detection

由圖12可知，利用超聲相位法檢測出的脫粘缺陷的邊界與實際的情況一致，即該方法能有效檢測金屬夾心CFRP復合材料中的脫粘缺陷。

2.2.3 實際產品檢測

按照2.2.1節中確定的超聲C掃穿透法和參數檢測某實際產品，得到超聲C掃圖(見圖13)，圖13的深色區域為缺陷。按照2.2.2節中確定的高分辨超聲A掃反射法、超聲相位法和參數檢測缺陷區域，發現界面Ⅰ一側的復合材料中出現分層信號，對缺陷處進行物理解剖并做金相分析，金相圖如圖14所示，可知實際分層與檢測結果相同。

圖13 復合材料產品超聲C掃圖

圖14 復合材料產品內缺陷處金相圖

按照2.2.1節中確定的超聲C掃穿透法和參數檢測另一件實際產品，得到超聲C掃圖(見圖15)，圖15的深色區域為缺陷。按照2.2.2節中確定的高分辨超聲A掃反射法、相位法和參數檢測缺陷區域，發現Ⅱ界面出現脫粘信號，對缺陷處進行解剖，得到的解剖圖如圖16所示，表明實際脫粘與檢測結果相同。

圖15 復合材料產品超聲C掃圖

圖16 實際產品Ⅱ界面解剖圖

3 結論

(1) 采用超聲穿透法、反射法都無法檢測金屬夾心復合材料，本文提出了先采用超聲C掃穿透法確定缺陷的平面位置，然后采用高分辨率超聲A掃反射法確定復合材料中分層缺陷及采用超聲相位法確定復合材料與金屬間的脫粘缺陷的方法。

(2) 檢測結果表明，采用提出的方法可準確檢測試樣中大小為5 mm×5 mm的預置人工分層和脫粘，且能準確檢測實際產品中的缺陷。

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An ultrasonic detection method for metal sandwich CFRP composite

GAO Xiao-jin

(Research Institute of Aerospace Special Materials and Processing Technology, Beijing 100074, China)

The structure of metal sandwich carbon fiber reinfored polymer (CFRP) composite has been widely adopted in new aircraft wing, missile wing and others. The applicabilities of the common ultrasonic penetration and ultrasonic reflection methods for the detection of the metal sandwich CFRP composite are analyzed respectively according to its material and structure characteristics. On this basis, a method combining ultrasonic C-scan penetration method, high resolution ultrasonic A-scan reflection method and ultrasonic phase method is proposed. Experimental researches on the composite sample with artificial defects and on the actual products have been conducted respectively. The results show that the proposed combination method can detect all the 5 mm×5 mm artificial lamination and debonding defects in the sample and the lamination and debonding defects in the actual products.

composite; metal sandwich; phase method; ultrasonic method

TB559

A

1000-3630(2019)-05-0526-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.05.008

2018-06-17;

2018-08-20

高曉進(1987－), 男, 江西九江人, 碩士, 研究方向為復合材料無損檢測。

高曉進, E-mail: gao19870311@163. com