飛機復合材料層板結構原位超聲檢測技術

王 丹, 寧 寧, 樊俊鈴, 詹紹正

(中國飛機強度研究所，西安 710065)

復合材料作為新一代的航空材料，具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞性能好、性能可設計性強、便于整體成型及制備有靈活性和易加工性等優點。目前已成為與鋁合金、鋼、鈦合金并駕齊驅的四大飛機結構材料之一，其中碳纖維樹脂基增強復合材料層板結構在航空、航天的應用最為廣泛，其應用水平已經成為衡量飛機先進性的一個重要標志[1]。

層壓板是由兩層或兩層以上的薄層纖維材料黏結而成的產品。作為增強材料的纖維，可以按不同方向排布，其尺寸和形狀也可以改變，從而可以設計制作具有不同性能的復合材料。目前層壓板結構已由最簡單的層壓平板形式向大厚度、大型曲面，多拐角結構發展。

但碳纖維層板結構在生產和使用過程中，存在層間強度低、抗壓能力弱等缺點，容易在載荷作用、外來物撞擊和環境影響下產生分層、沖擊和雷擊等損傷，嚴重影響其力學性能和飛機結構安全性。因此，為了確保層板結構的質量和裝機應用安全，在其設計、制造、裝配、試驗、服役(維修)過程中，要求對其進行100%且可靠的無損檢測[2]。

目前，應用于碳纖維層板無損檢測方法有超聲[3-4]、諧振[5]、紅外[6-7]和激光剪切散斑[8-9]等技術。但對于層板結構特點、損傷特征、檢測要求和檢測環境等而言，超聲檢測技術是目前一種主要的無損檢測方法，在產品制造過程中，檢測自動化更易實現，所以噴水對穿、水浸等超聲C掃描檢測方法完全取代人工超聲脈沖反射法；但在試驗和使用階段，受檢測環境影響，很多自動化檢測設備無法實施，手動超聲脈沖反射法成為主要的檢測手段[4]，因此需要開展A型顯示超聲脈沖反射法檢測技術研究，為強度試驗和外場復材層板結構的超聲檢測實施提供技術支持。

為此，首先對超聲波在層板結構中的反射和透射行為進行了理論分析，揭示A型顯示超聲脈沖反射法在復材層板結構中的檢測原理；其次針對層板結構服役過程中，可能出現的分層、沖擊和雷擊等損傷，開展A型顯示超聲脈沖反射法檢測技術研究，最后建立碳纖維層板結構典型損傷的脈沖反射超聲信號特征圖譜，實現損傷的定性和定量評價。

1 碳纖維層板結構A型顯示超聲脈沖反射法檢測原理

對多鋪層復合材料層板進行脈沖反射法超聲檢測，聲波垂直入射到材料中后，在上鋪層Z1與下鋪層Z3間的界面Z2上產生聲波的反射與透射，界面的聲壓反射率r和透射率t(t=1+r)大小不僅與各介質的聲阻抗Z1、Z2和Z3有關，而且還同界面層的厚度d與其中傳播的波長λ之比有關[10]。

(1)

式(1)中：Z1和Z3為上、下鋪層聲阻抗；Z2為上、下鋪層之間界面的聲阻抗；d為界面層厚度；λ為界面層的波長；r為界面的聲壓反射率。

(2)

當復合材料層板結構滿足以上兩點，且沒有缺陷/損傷時，一定頻率的超聲波垂直入射進入該層板內部，不會在復合材料層間界面產生時域可分辨反射回波信號，僅在層板表面和底面形成超聲反射回波P和B，如圖1(a)所示，超聲波從層板表面傳播到底面的時間為t。

(3)當層壓板內部存在缺陷/損傷時，超聲波途徑缺陷/損傷區，會形成新的反射界面，其垂直方向聲壓反射系數與缺陷/損傷的性質有關。

(3)

式(3)中：vD為缺陷/損傷區介質的聲速；ρD為缺陷/損傷區介質的密度；vC為復合材料的聲速；ρC為復合材料的密度。

對于層板結構服役過程中，可能出現的分層、沖擊和雷擊損傷等，內含物主要是空氣或真空，即vDρD?vCρC，r≈-1，此時垂直入射聲波將會產生近似絕對反射。

因此，當復合材料內部存在缺陷/損傷時，圖1(b)為超聲脈沖反射法典型A型顯示示意圖。即在始波P和底波B之間會形成缺陷/損傷回波D，通過提取始波信號P和D之間的試件信息tD，可以確定缺陷在復合材料中深度[13-14]：

圖1 A型脈沖反射法超聲檢測示意圖Fig.1 The ultrasonic detection characteristic map of A-type pulse reflection method for the specimen with damage

(4)

式(4)中：tD為超聲波從層板表面傳播到缺陷/損傷界面處的時間。

2 超聲脈沖反射法檢測技術

2.1 檢測系統的選擇

檢測系統主要包括超聲檢測儀和探頭，正確選擇檢測設備，對確保檢測結果的可靠性，保證超聲檢測工作的質量，十分必要。飛機復材層板結構厚度通常在10 mm以下，有的結構甚至不大于1 mm，避免在近場區檢測、減少表面盲區和提高縱向檢測分辨率是檢出各層間損傷的關鍵，也是檢測系統選擇的重要依據。所以，超聲檢測儀應具備發射脈沖窄、寬頻帶接收電路等性能；檢測探頭應選擇窄脈沖、高阻尼、高分辨力性能的寬帶延遲探頭。

2.2 對比試塊設計要求

復合材料檢測中使用的對比試塊主要用來驗證檢測系統的可靠性與可重復性，調節檢測靈敏度，驗證上下表面檢測分辨率和評估缺陷。復合材料的物理性質存在較大的離散性，因此，復合材料檢測用的對比試塊必須采用與受檢件的原材料、鋪層及固化工藝、厚度和表面狀態相同的材料制作[2]。

層壓板服役損傷形式主要有分層和沖擊/雷擊損傷，對比試塊的人工損傷形式應最大程度模擬相關損傷自然性質或特征。對于結構邊緣部位的分層可以采用在結構中預埋入表面涂脫模劑的金屬箔片(如厚度為20～25 μm不銹鋼片或黃銅片)，固化后將金屬箔片抽出，最終形成的空氣隙來模擬，如圖2(a)、圖2(b)所示。圖2(b)中，人工損傷①：模擬邊緣分層；形式：預埋不銹鋼片，固化后抽出，邊緣加以密封；位置：從上表面算起，位于第2～3層。人工損傷②：模擬邊緣分層；形式：預埋不銹鋼片，固化后抽出，邊緣加以密封；位置：位于兩中心層之間。人工損傷③：模擬邊緣分層；形式：預埋不銹鋼片，固化后抽出，邊緣加以密封；位置：從下表面算起，位于第2～3層。非邊緣部位的分層可以采用多層同樣厚度(單層厚度不大于0.05 mm)、圓周(或四周)閉合、中間帶有空氣隙的聚四氟乙烯薄膜模擬，如圖2(c)所示。圖2(c)中，人工損傷④：模擬分層；形式：放置聚四氟乙烯膜；位置：從上表面算起，位于第2～3層。人工損傷⑤：模擬分層；形式：放置聚四氟乙烯膜；位置：位于兩中心層之間。人工損傷⑥：模擬分層；形式：放置聚四氟乙烯膜；位置：從下表面算起，位于第2～3層。此外，對于一定厚度的層板結構，也可以采用在探測面的背面加工平底孔的方式模擬分層，如圖2(d)所示。圖2(d)中，人工損傷⑦：模擬分層；形式：背面鉆銑平底孔；位置：盡可能接近上表面。人工損傷⑧：模擬分層；形式：背面鉆銑平底孔；位置：位于兩中心層之間。人工損傷⑨：模擬分層；形式：背面鉆銑平底孔；位置：盡可能接近下表面。

a、b為人工損傷的尺寸，其大小應包括要求檢出的特定深度下的最小損傷；H表示對比試塊的厚度，其大小應為被檢結構最厚位置處的尺寸圖2 層合板結構模擬分層的人工損傷設計參考圖Fig.2 Artificial damage design reference drawing for simulating delamination in the laminates

若層板鋪層數不多時，可以采用不同鋪層數的厚度模擬不同鋪層處的分層損傷，如圖3所示。沖擊/雷擊損傷可以通過沖擊/雷擊試驗引入損傷來模擬，也可以采用不同鋪層數的厚度模擬不同鋪層處的沖擊/雷擊分層損傷，如圖3所示。

圖3 層合板結構模擬沖擊/雷擊損傷的人工缺陷設計參考圖Fig.3 Artificial defect design diagram for simulating impact and lightning damage

人工損傷的尺寸應至少包含要求檢出的特定深度下的最小損傷尺寸，這也是檢測靈敏度調節的基準。

2.3 層壓板超聲檢測信號特征及損傷評定

通過對比試塊模擬損傷超聲回波信號，與真實損傷檢測結果比對分析，總結出層壓板結構在服役過程中產生的以下幾種損傷的超聲檢測信號特征圖譜。

2.3.1 損傷定性

(1)無損傷：無損傷時，層板結構的表面反射波和底面一次反射波之間沒有其他反射回波出現(圖4)。

圖4 無損傷時，層板結構超聲信號特征圖Fig.4 The ultrasonic signal characteristic diagram of the laminate without damage

(2)分層：當層板內出現近表面分層損傷，且損傷面積大于晶片直徑時，沒有底波顯示，只有緊靠上表面的多次損傷反射波[圖5(b)]；探頭中心移至損傷的邊緣時損傷波幅高度降低了一半，此時損傷波與底波同時出現[圖5(c)]。

圖5 層板近上表面分層超聲信號特征圖Fig.5 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the delamination in the subsurface of the laminate

當層板內出現中間分層損傷時，圖6(b)為探頭位于損傷范圍內的波形，損傷波顯示的位置與損傷的埋藏深度相對應，損傷多次回波以等距離間隔出現，無底波顯示；圖6(c)為探頭中心位于損傷邊緣，損傷波幅度降至一半高度，底波幅度上升并與二次損傷反射波疊合，顯示的波形較寬。

圖6 層板近中間分層超聲信號特征圖Fig.6 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the delamination in the middle of the laminate

當層板內出現近底面分層損傷時，圖7(b)為探頭位于損傷范圍內的波形，損傷波反射波位于底面位置稍前處，無底波顯示；圖7(c)為探頭中心位于損傷邊緣，損傷波幅降低至1/2高度，并與底波相鄰在一起，顯示的波形較寬。

圖7 層板近底面分層超聲信號特征圖Fig.7 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the delamination in the bottom of the laminate

(3)沖擊/雷擊損傷：對于沖擊/雷擊后的層板結構，一般會在表面留下沖擊/雷擊凹坑，但內部都屬于沿厚度方向不同埋深、平面分布相互重疊擴展的分層損傷[圖8(a)]。由于上部的分層損傷會遮擋下部分層損傷，超聲檢測可以發現上部的分層和下面未遮擋部位的分層，而無法探測出遮擋部分的損傷形貌。因此，當探頭位于沖擊損傷上方時，不同層的損傷回波會連在一起，顯示的波形較寬，底波消失[圖8(b)～圖8(d)]。

圖8 層板沖擊/雷擊損傷超聲信號特征圖Fig.8 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the impact and lightning damage

2.3.2 損傷定量

在復合材料制件的接觸式超聲檢測中，小于探頭有效聲束直徑的損傷，采用與同深度對比試塊中人工缺陷比較的方法確定；大于探頭聲束直徑的損傷，采用半波高法評定損傷大小。

通常復材損傷尺寸多大于探頭有效聲束直徑，實際檢測中多采用半波高法評定損傷，半波高度法具體做法是：移動探頭找到損傷最大反射波后，調節增益使其達到一定波高并作為基準波，然后沿損傷不同方向移動探頭，當損傷基準波高降低為1/2時，記錄探頭中心位置，最后將所有方向的中心位置連接起來就是損傷的輪廓，并按要求記錄損傷的尺寸。對于沖擊/雷擊損傷的多層重疊分層損傷，損傷邊界處在不同層，損傷基準波難以確定，所以通常選擇位于探頭遠場的底面回波為基準波進行測量[15-16]。

3 結論

飛機服役過程中，復材層板結構原位檢測多采用A型顯示垂直入射超聲縱波脈沖反射法，為保證服役損傷準確檢出和正確評定，得出以下結論。

(1)超聲檢測系統的入射聲波脈沖寬度窄，不僅可以減少檢測表面盲區，提高縱向檢測分辨率高，而且可以避免在聲波近場區檢測，這是確保出現在各個層間界面的損傷能夠被檢出的關鍵，也是選擇合適超聲儀和檢測探頭的依據。

(2)人工缺陷是對比試塊設計要求中主要考慮因素。通常采用預置聚四氟乙烯膜或在背面轉銑平底孔的方法來模擬分層損傷，沖擊/雷擊損傷可以通過沖擊/雷擊試驗引入損傷來模擬，此外，分層和沖擊/雷擊損傷也可以采用不同鋪層數的厚度模擬不同鋪層處的分層損傷。人工缺陷的尺寸應至少包含要求檢出的特定深度下的最小損傷尺寸，缺陷的位置綜合考慮檢測上、下表面分辨力，檢測儀器時基線的調整等因素。

(3)結合超聲信號特征圖譜，對損傷進行定性分析；采用半波高法進對損傷進行定量評價，當用半波高度法評定沖擊損傷時，選擇位于探頭遠場的底面回波作為基準波進行測量。