復合材料結構修理高分辨率超聲斷面成像檢測與缺陷評估*

劉菲菲，周正干，劉松平，楊玉森，張連旺

（1.北京航空航天大學，北京100191；2.中國航空制造技術研究院，北京100024；3.中航復合材料有限責任公司，北京101300）

隨著復合材料在航空航天等領域的廣泛應用[1-2]，復合材料無損檢測的研究和應用受到高度關注。通常要求復合材料制件必須進行100%無損檢測，而超聲是目前普遍采用的一種無損檢測方法，相關的文獻報道也比較多，包括超聲C掃描檢測方法[3-5]、超聲Lamb 波[6-8]和導波檢測方法研究[9]、激光超聲檢測方法[10]等。但很少涉及復合材料修理檢測與評估。

試驗研究表明，復合材料在長期受力情況下，存在產生疲勞和分層的風險[11-12]。因此，隨著復合材料結構在飛機上的大量使用和服役年限的增長，復合材料結構損傷案例不斷增加，復合材料結構修理已經成為業內的技術焦點。由于修理材料、修理工藝、環境條件等與制造階段復合材料基體結構顯著不同，導致一些在復合材料結構制造環境條件下所研究和建立的檢測方法、檢測技術、缺陷表征方法、缺陷判據不能完全適用于復合材料修理檢測。因此，近年來，復合材料結構修理無損檢測與評定受到越來越多的關注。文獻[13-15]介紹了利用紅外熱成像方法進行復合材料修理損傷的檢測試驗研究，但這種檢測方法需要復雜的熱加載和精確地控制熱加載量以及熱加載的均勻性，制件表面的顏色變化也容易產生偽指示，導致深層損傷和缺陷的檢出能力非常受限，難以得到檢出損傷或缺陷的準確定量定性方面的信息。Choi 等[16]針對復合材料蜂窩結構試樣中沖擊引起的分層損傷，研究了電子散斑干涉（Electronic speckle pattern interferometry，ESPI）檢測方法對試樣中分層損傷的可檢性。文獻[17]研究了GRP 復合材料中沖擊損傷ESPI 可檢性，也需要對被檢測試樣進行熱或力加載，使損傷的存在能夠引起試樣表面可檢出的面外位移或應變，缺陷檢出效果強烈依賴加載和加載量的準確控制，但同樣難以檢出深層損傷和缺陷，難以實現檢出損傷或缺陷的準確定量定性。利用低能量X 射線方法，雖然可以很好地實現復合材料無損檢測與缺陷評估[18-19]，但在修理條件下，通常不適合采用X 射線檢測方法，而且X 射線方法對復合材料中的分層檢出困難。文獻[20]采用脈沖回波激光超聲方法，研究了復合材料修理檢測與缺陷評估的可檢性，但激光超聲在檢測信號接收技術方面一直沒能取得理想的突破，嚴重制約了這種方法的工程實用性研發與推進。文獻[21-22]針對復合材料修理試樣開展了Lamb波檢測方面的試驗研究，但由于飛機復合材料結構復雜的幾何特征會帶來復雜的導波模式轉換，從而容易產生偽指示信號，影響缺陷的判別，Lamb 波在復合材料中的衰減非常嚴重和較低的頻率，明顯制約了Lamb 波的缺陷檢出能力和導波在飛機復合材料結構及其修理中的實際檢測應用。

綜上，超聲是一種非常適合復合材料及復合材料損傷與修理區檢測的無損檢測方法。但超聲檢測需要首先建立缺陷判據，為此，必須通過高質量的超聲檢測系統，在復合材料修理區形成高質量的超聲信號，既要有足夠的穿透能力，又要有很好的分辨率和很小的表面檢測盲區。在復合材料結構制造階段，為了提高聲波在復合材料中的穿透能力、規避超聲檢測盲區問題，可以采用穿透法和/或者適當降低檢測頻率，但這會降低入射聲波對小缺陷的檢出能力和檢測分辨率，同時在修理階段，通常超聲穿透法不適用。因此，文獻[4-5]介紹的一些面向制造階段的復合材料結構超聲檢測方法，不適合復合材料結構修理檢測，但為復合材料修理檢測研究提供了方法參考。

針對碳纖維樹脂基復合材料結構修理，研究了一種高分辨率超聲（High-resolution ultrasonic，HU）檢測方法，利用發射單元向被檢測復合材料結構修理區發射高分辨率超聲波，然后，接收來自修理區的超聲回波，轉換成高質量的超聲信號，用于修理區檢測與缺陷準確評估。基于HU 方法，構建了高分辨率超聲檢測系統，設計制備了碳纖維復合材料層壓結構修理試樣，開展了系列的HU方法試驗研究和HU 斷面成像試驗研究，試驗結果表明，利用HU 方法，可以在復合材料修理試件中產生高質量的超聲回波信號，極大地改善了檢測信號的時域可分辨性、成像質量、分辨率和檢測效果；利用HU 斷面成像，可以快速準確地揭示復合材料結構修理區斷面修理行為細節，確定修理區的斷面幾何形貌、修理界面及其幾何拓撲特征，揭示修理區不同深度和位置的缺陷及其分布、修理區內部樹脂及其分布行為、基體鋪層行為等細節，實現了復合材料結構修理的準確檢測與缺陷精細評估，從而為復合材料結構修理提供了一種非常適用的高分辨率超聲可視化檢測與評估方法。

HU 方法與試件

1 檢測方法和超聲系統

在其他條件一定時，理論上，提高超聲波的頻率，有利于改進檢測分辨率和減少表面檢測盲區，如圖1所示，對于頻率為fn的超聲波，在單周條件下時，其時域占寬可近似地表示為：

圖1 反射聲波信號的頻率、時域占寬對表面盲區、分辨率的影響Fig.1 Effect of echo signal frequency and time-domain width on ultrasonic detection surface dead zone and resolution

圖1 中Δh表示近表面深度范圍；tn表示聲波信號單個周期時域占寬；t表示聲波傳播時間；1 表示入射聲波信號；2 表示來自試樣表面的聲波反射信號；3 表示來自試樣底面的聲波反射信號；4 表示來自試樣近表面Δh內的缺陷回波信號。

當來自試樣近表面深度范圍Δh內的缺陷回波信號4 正好位于來自試樣表面的聲波反射信號2 的時域占寬范圍tn內時，會造成在時域范圍內難以分辨回波信號2 和4，從而影響Δh范圍內的缺陷識別與檢出，同樣的情況在試樣的底面也會出現，由式（1）和圖1 可知， Δh可近似表示為：

其中，υ為試樣中的聲速。由式（1）、（2）和圖1 可知，在N=1 的條件下，考慮到當來自試樣近表面Δh內的缺陷回波信號4 與來自試樣表面的聲波反射信號2 出現半波長疊加時的可分辨性時，時域上具有可分辨性，參見圖1，這里可以近似地取

其中，λ為聲波在復合材料中的波長；N為回波信號時域周期數，無量綱。

在非常極限情況下，取N=1，則表面盲區約為入射聲波的1/4 個波長，例如，以單個鋪層厚度約0.125 mm 碳纖維預浸料復合材料層壓結構和實際測量的聲速3106m/s 為例，如果要達到分辨出近表面單個鋪層深度的缺陷，即Δh≈0.125mm，則由式（3）可知，所選用的超聲波波長約為0.25mm，對應頻率約為6.2MHz。但頻率的提高會顯著增加聲衰減，嚴重時會造成超聲不可檢。因此，在其他條件一定時，減少N是提高超聲在復合材料中的檢測分辨率、降低盲區的重要途徑。

為此，研究提出了一種N=1 的高分辨率超聲檢測方法，實現復合材料結構修理的高分辨率超聲可視化檢測與評估。超聲檢測系統采用中國航空制造技術研究院/中航復合材料有限責任公司劉松平、劉菲菲團隊研制的CUS-21J 超聲掃描成像檢測系統，構成試驗研究用的復合材料修理高分辨率超聲檢測系統，它主要由超聲單元、信號處理單元、掃描機構、掃描控制單元、計算機單元和FJ-1 換能器等構成，如圖2所示（其中對1、2、3、4 的描述同圖1），其中，通過FJ-1 換能器和超聲單元產生單個脈沖周期的高分辨率波形信號。通過手動或自動掃描方式移動FJ-1 換能器，實現對修理區不同位置的超聲信號記錄和采集以及超聲成像，換能器與試樣表面之間可以選擇水膜耦合，也可以采用噴水或局部液浸耦合，可以實現復合材料結構修理的手動和自動掃描檢測。其中超聲單元、信號處理單元可以構成便攜的超聲儀器，也可以獨立地用于外場復合材料結構修理的超聲手動掃查檢測與評估。

圖2 HU 超聲檢測系統基本構成Fig.2 Scheme of HU set-up

2 試件

復合材料結構修理試件采用多向層壓結構，試件中含有修理區，在修理區預置有模擬分層，采用手工鋪貼，熱壓罐固化成型，試件的材料為中航復合材料有限責任公司生產的9916-II/CCF300 預浸料，厚度約4.5mm，試件大小約350mm×320mm；試件的修理補片用材料為TC350-1/IM7，構成與基體結構相一致的多向鋪層層壓結構，其設計厚度約4.5mm（36 個鋪層），修理用膠膜厚度約0.13mm。首先在試件中心位置制備帶坡口的圓錐形修理區，其一側的直徑φ1約280mm，另一側的直徑φ2約100mm，如圖3所示，然后，按照修理區的大小和形狀制備補片，在基體修理區錐形破口表面放置有膠膜，使補片通過膠膜與基體結構保持貼合，最后，將整個試件一起采用真空袋密封進行固化，在補片、補片中近表面一個鋪層位置F1、近底面一個鋪層位置F3和中間深度位置F2分布預置有φ6mm 的分層缺陷。

圖3 復合材料試件和修理試件的結構示意圖Fig.3 Illustration of repair specimen

試驗結果與討論

1 HU 信號時域表征與分析

圖4 是一組來自復合材料修理試件中4 個不同部位檢測位置點的典型超聲回波信號，采用NU、 HU兩種模式，對應頻率均為5MHz。圖4 中，是在HU 模式下依次來自試件非修理區表面、底面及底面的反射回波信號，是的二次反射；是在HU 模式下分別來自試件修理補片中心區表面、近表面和底面的反射回波信號；是HU 模式下分別來自試件修理連接界面區表面、近表面和底面的反射回波信號；是在NU 模式下依次來自試件非修理區表面、底面及底面的反射回波信號，是的二次反射回波信號。

圖4 來自復合材料修理試件的HU 和NU 超聲回波信號特征比較Fig.4 Comparison of echo signals from repair specimen using HU and NU modes

圖4（a）～（c）是HU 模式下的超聲結果，其中圖4（a）是來自修理試件中非修理區的典型超聲回波信號；圖4（b）是來自修理試件中修理補片中心區的典型超聲回波信號；圖4（c）是來自修理試件中修理界面區的典型超聲回波信號；圖4（d）是NU 模式下的超聲結果，來自修理試件中非修理區的典型超聲回波信號。從圖4（a）中的信號特征可以非常清晰地看出，在HU 模式下，（1）在時域上呈現單周特性，可以看出，此時N=1，λ≈ 0.62mm（測量聲速約為3106m/s），tn≈ 0.24us，tN≈ 0.24μs，考慮到N= 1 條件下的時域可分辨性，對應的Δh≈ 0.186mm，而根據式（2）可知，Δh≈ 0.155mm，即此時，表面盲區可以接近單個鋪層厚度（0.125mm），因此，在圖4（a）中，與在時域上呈現非常好的時域可分辨性，利用與之間的時間差（約2.90us），可以估測出試件的厚度約4.5mm，與試件的設計厚度4.5mm 非常吻合；（2）從的高質量時域可分辨性可以看出，來自的二次反射信號，表面入射聲波在試件中非修理區具有很好的穿透性；（3）如果試件內部沒有缺陷，將會在試件中產生足夠明顯的及其二次反射。

相比圖4（a）中HU 的結果，圖4（d）是在常規超聲（Normal ultrasonic，NU）模式下來自修理試件中非修理區的典型超聲回波信號，從圖4（d）中的信號特征可以非常清晰地看出，在NU 模式下，在時域上呈現明顯的多周特性，例如，的N接近5個周期數，對應時域占寬約1.68μs，對應的Δh≈ 2.61mm，為HU 模式下的的Δh（0.186mm）的14 倍，可見，NU 模式下，一旦脫粘出現在試件近表面和底面深度位置時，漏檢的風險會急劇增加，不過，在NU模式下，聲波的穿透能力會更強些（參照）。因此，在保證聲波穿透能力的情況下，選擇HU 模式更適合復合材料修理的超聲檢測與缺陷準確評估，其他復合材料超聲檢測也適合這一原則。基于HU 方法和高質量的回波信號，對實現復合材料結構修理的可視化檢測與精細評估非常有益。

2 面成像分析

圖5 為來自試件修理區的超聲斷面掃描成像（即試件某個斷面的B -掃描）結果，成像質量非常高，采用HU 模式，橫坐標單位為mm，表示修理區沿其中一個截面的寬度；縱坐標表示聲波在試件厚度方向傳播的時間，單位為μs，它代表均一化后的時間顯示刻度，與聲波在耦合介質和試件中的聲速有關。圖5（a）中NR1、NR2 分別對應試件中左右兩側非修理區，RB1、RB2 分別對應左右兩側修理界面區，CR 為修理中心區，分別對應NR1 區表面和底面；分別對應CR 區表面和底面；分別對應RB1 區表面和底面；對應RB1 區修理膠接連接界面，是的二次反射；分別對應RB2 區表面和底面；對應RB2 區膠接連接界面，是的二次反射分別對應NR2 區表面和底面；F1為試件中補片近表面1 個鋪層深的分層，F2為試件中補片中間深度位置的分層，F3對應試件中補片近底面1 個鋪層深的分層；R1為補片內部局部樹脂。

圖5 試件修理區的HU 斷面成像結果Fig.5 Ultrasonic cross-section imaging result of specimen repaired area using HU mode

圖5（a）中超聲成像結果可以分為3部分：（1）非修理區，即NR1 和NR2 對應的圖像部分；（2）補片/基體之間的修理界面連接區，RB1 和RB2 對應的圖像部分；（3）修理中心區，CR 對應的圖像部分。在NR1 和NR2 區可以看到對應試件表面、底面的圖像顯示，即和所標示的白色條狀灰度分布區，NR1和NR2 對應的圖像分布表明，來自試件表面和底面的灰度分布非常清晰，其姿態的分布反映了試件表面的平整度，這與圖4（a）中的超聲回波信號時域特性完全一致，即在HU 模式，回波信號的時域可分辨性好，且具有單周特性，從而使超聲成像結果特別清晰，因此，對于復合材料超聲檢測，回波信號的時域特性尤為重要，例如，在NR1 區，當出現缺陷時，對應缺陷的成像灰度將會清晰地分布在和之間，從而會使缺陷識別更加容易和準確。在NR1 和NR2區靠近試件上半部分，出現了非常微弱的少量的平行于的淺亮色灰度帶狀灰度分布，反映的是試件內部的層間界面，由于聲波衰減原因，來自試件下部分的層間反射幾乎消失，因而在對應試件下部分的斷面圖像中，看不到淺亮色灰度帶狀灰度分布。最重要和有特色的成像特征是在修理區，包括RB1 區、RB2 區和CR 區；首先是在RB1 區、RB2 區，試件表面出現了“山峰”型的高亮度條帶型灰度分布，即和所標示的灰度分布，從修理區邊緣開始上升，在修理膠接界面與補片通孔的邊緣結束，左右對稱分布，這一成像灰度分布特征反映了在修理邊緣和修理通孔的修理行為和修理區的實際特點，因為在修理區，從基體表面到修理區存在輕微的幾何過渡區，同理從膠接界面到補片通孔邊緣也存在輕微的幾何過渡區，因而在修理區的試件表面出現了“凹”型高亮度條帶狀灰度分布，即所標示的灰度分布；其次，在RB1 區、RB2 區，修理連接界面出現了向下的“瀑布”型的高亮度條帶狀灰度分布，位于補片兩側對稱分布，即和所標示的灰度分布，這一成像灰度分布特征非常形象地反映了修理膠接界面幾何特征，而且從和所對應的白色條帶狀灰度圖像特征可以清晰看出，入射聲波不僅穿透了修理膠接界面，而且有足夠明顯的聲波到達修理區試件的底波，還出現對應的二次反射灰度指示（和所指示的倒“八”字形帶狀淺亮色灰度帶），也表明和所標示的灰度分布不是來自修理界面的脫黏，而是正常修理膠接行為所致。最為重要的圖像灰度分布特征之一是出現在RB1、RB2 區的高亮“白斑”，即F1、F2、F3所標示的“白斑”，依次對應修理區的3 個φ6mm的預置分層缺陷，從“白斑”分布特征可以看出，F1靠近修理區試件的上表面，F2靠近修理區試件的中間深度位置，F3靠近修理區試件的底面位置，這與試件中F1位于修理區近表面一個鋪層深度位置、F2位于修理區中間深度位置、F3位于修理區近底面一個鋪層深度位置完全一致，只是在橫坐標方向的尺寸不完全一樣，這與其所處的超聲斷層成像的截面位置有關；F1、F2、F3另一個非常顯著的特征是，下面均存在超聲“陰影”，即白色箭頭所指示的垂直方向的矩形黑色灰度帶所示，這是因為入射聲波在分層周圍產生反射引起的，也表明如果修理區存在缺陷，會在缺陷后面形成超聲“陰影”，而在膠接界面和所指示的高亮度“瀑布”型條帶狀后面則沒有出現類似的超聲“陰影”，也表明和是來自修理區膠接界面的聲波反射，而不是膠接界面缺陷指示；同樣的道理，可以判斷R1所指示的“白斑”區是來自修理補片內部的樹脂反射，而不是缺陷指示。因此，根據超聲斷面成像中的灰度分布行為，可以清晰地進行修理界面的表征、修理缺陷的判別，也可以確定檢出缺陷在修理區深度的分布細節；利用這種HU 成像方法，還可以揭示修理區、修理界面、缺陷在試件厚度方向的拓撲情況。

圖5（b）是試件修理區另一相鄰斷面位置的超聲斷面成像結果F1、F2的描述同圖5（a），R2為補片內部局部樹脂），與圖5（a）中的斷面位置相差2mm，復合材料修理行為（同圖5（a））包括修理區形貌、修理連接界面、補片區等在斷面方向的幾何拓撲情況同樣非常清晰可見外，相比圖5（a）的成像結果，圖5（b）最為顯著的圖像分布變化是：（1）F1變得更加明顯，F2變小，F3消失，這表明F1主方向位于該截面位置，F2逐步離開此截面位置，F3離開了此截面位置；（2）R1消失，而R2出現了，表明R1幾何尺寸很小，此時已經不在該截面位置，而R2所指示的樹脂區出現在了當前截面位置。因此，采用HU 斷面成像方法，可以直觀地揭示修理區及其修理區缺陷的幾何拓撲細節，這對于修理區的準確檢測與缺陷精細評估，掌握修理區的修理行為，制定合理的修理工藝非常有益。

圖5（c）是試件修理區另一斷面位置的HU 斷面成像結果（NR1、的描述同圖5（a），R3為補片內部局部樹脂），除了與圖5（a）和（b）中的斷面成像結果一樣，復合材料修理行為包括修理區形貌、修理連接界面、補片區等在斷面方向的幾何拓撲情況同樣非常清晰可見外，也能清晰地看到NR1 和NR2 區基體中的鋪層形態，如圖5（c）中白色箭頭所指示的淺白色波紋狀條線灰度分布所示，但圖5（c）最為顯著的圖像分布變化是F1、F2、F3消失，這是因為修理區缺陷不在當前成像截面位置。從圖5（a）～（c）中可以清晰地看出，在修理區補片內部的樹脂分布明顯比基體中的樹脂分布多，而且呈現顯著的離散分布特征，如圖5（c）中橢圓形白色虛線所標示的白斑分布所示，此外，鋪層形態也不如試件基體中清晰，這跟基體材料及其成型工藝條件與修理用補片材料及其工藝條件密切有關。因此，采用HU 斷面成像方法，還可以直觀地揭示修理區與基體之間的內部微結構變化，這對選擇合適的修理材料和制定合理的修理工藝非常有指導意義。

3 修理效果評估

圖4 結果表明，在單脈沖周期條件下，利用來自復合材料修理部位的超聲回波信號及其變化規律，可以進行修理區的修理效果評估，在非修理部位，的幅值會明顯增加，這里，i=1，2，3。例如，在非修理區，的幅值約為11.76dB（圖4（a））；在修理補片區，的幅值約為-9.84dB（圖4（b））；在修理區連接界面區，

利用圖5 中的成像結果與特征，可以進行復合材料修理區的修理效果評估，在非修理區，和呈現清晰、高亮圖形學特征，這里用ε0表示，ε0形態變化平緩（與實際復合材料結構有關）；而在修理區，會出現“山峰”圖形學特征（用ε1表示）、“凹形”圖形學特征（用ε2表示）、“瀑布”圖形學特征（用ε3表示）、超聲“陰影”圖形學特征（用ε4表示），而且，ε1、ε2、ε3、ε4與ε0呈現顯著不同圖形學特征。因此，基于εk（這里k= 0，1，2，3，4）及其圖形學與灰度分布，可以實現修理區的修理效果評估，即在其他條件一定時，ε1越趨向ε0的圖形特征，修理效果越好；ε2和ε3圖形學特征越弱化，修理效果越好；出現ε4圖形學特征，表示修理界面存在缺陷，亦表明修理效果不好。因此，在單周脈沖特性條件下，基于修理區的超聲成像特征所呈現出來的圖形學規律，通過構建相應的圖形學修理函數將可以實現復合材料結構修理效果的確切評估，目前正在開展相關的建模和試驗驗證研究。

結論

（1）不同頻率模式脈沖聲波在碳纖維樹脂基復合材料修理試件中具有顯著不同的時域信號特征，在HU 模式下，回波信號的時域占寬達到0.186mm，接近單個復合材料修理鋪層厚度，從而使HU 方法的表面檢測盲區和分辨率達到單個復合材料修理鋪層厚度（約0.125mm），非常有利于復合材料修理區的缺陷準確檢測和精細評估，基于HU 回波信號時域行為，其厚度方向的評估結果與復合材料修理試件的設計值之間最小偏差接近0。

（2）利用HU 斷面超聲成像，可以更加直觀和準確地揭示復合材料修理行為，包括未修理區、修理界面、修理區形貌、修理區缺陷、局部樹脂及其分布、修理區微結構特征等幾何拓撲細節，這對于復合材料修理的準確檢測與缺陷精細評估，優化修理工藝、改善修理行為、最大限度恢復復合材料修理結構使用性能、確保復合材料結構的安全服役等，具有十分重要的作用和益處。采用HU 斷面成像，可以非常直觀和清晰地檢出復合材料修理區近表面一層和近底面一層及其中間深度位置的φ6mm 缺陷、局部樹脂及其在修理區的分布細節，成像分辨率可達單個復合材料鋪層厚度（～ 0.125mm）。

（3）在單脈沖周期條件下，利用來自復合材料修理部位的超聲回波信號及其變化規律，可以進行修理區的修理效果評估；在非修理區超聲成像的圖形學特征變化平緩，而在修理區，會出現“山峰”、“凹形”、“瀑布”、超聲“陰影”等圖形學特征，根據超聲斷面成像所形成的這些圖形學特征，可以進行復合材料修理區的修理效果評估，從而為復合材料結構修理區的精細表征和修理缺陷的準確檢測與評估提供了一種非常有效的方法，目前已經在復合材料結構及其結構修理中得到了很好的實際檢測應用。

致謝

該項研究中的試驗設備與試樣的制備由中國航空制造技術研究院復合材料中心和中航復合材料有限責任公司提供，相關的試驗研究在復合材料中心檢測與評估試驗室完成，在此表示衷心的感謝。