CFRP層壓板的超聲檢測

李剛卿，周慶祥，張曉丹，曹 峰，彭善柏，蔡桂喜

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 青島 266111；2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；3.上海新陣元電子科技有限公司，上海 200231)

碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRP)以其優越的性能受到了廣泛的關注，主要應用于航空航天、醫療、交通等領域[1]。受制造工藝、成型工藝及加工工藝的影響，復合材料內部易出現分層、空隙、夾雜、脫黏等缺陷，特別是在服役過程中，CFRP的近表層還易出現沖擊損傷。如果不能及時地檢出這些缺陷并采取補救措施，缺陷將發生擴展，最終導致CFRP制件失效，造成經濟損失甚至人員傷亡。因此，復合材料的無損檢測至關重要。

采用超聲法對復合材料結構件進行檢測，是目前工程上應用最廣泛的檢測技術。SOHN等[2-3]利用Lamb波的特有優勢，對薄板復合材料進行了結構健康監測。采用Lamb波對CFRP進行檢測時，一般采用一發一收兩個探頭，因衰減較大，其激勵頻率較低，對小缺陷不敏感，需借助于時間反轉法進行信號增強[4]。另外，纖維增強聚合物基復合材料的各向異性會對 Lamb 波損傷定位的精度造成較大的影響，許穎等[5]提出了基于時間概率密度法的損傷定位方法。張繼敏等[6]使用相控陣超聲檢測設備，對預埋有不同大小不同深度人工缺陷的22.92 mm厚CFRP層壓板對比試塊進行了檢測試驗，在時間校正增益(TCG)曲線的輔助下，通過C掃描成像可以有效檢測出0.382 mm和22.54 mm深處的φ6 mm分層缺陷。為克服界面波對復合材料檢測的不利影響，袁英民等[7]通過理論計算和試驗研究，設計出了適用于飛機夾芯結構復合材料檢測用的雙晶探頭，在上層蒙皮厚度為3 mm，泡沫夾芯層厚度為4 mm的夾芯結構試樣中，能有效檢測出蒙皮下φ8 mm的脫黏缺陷;周克印等[8]采用雙晶探頭對風電葉片前緣膠接結構的脫黏缺陷進行了檢測，能有效識別出厚度分別為3.2，10，5 mm的3層結構玻璃纖維膠接結構試樣中φ10 mm的脫黏缺陷。雙晶探頭對復合材料脫黏缺陷的成功檢測，說明其檢測結果不受界面波和檢測盲區的影響，該技術值得借鑒和發展。

為進一步研究雙晶探頭對復合材料中分層缺陷(不僅僅是復合材料層板或蒙皮下的脫黏缺陷)的檢測能力，研究了復合材料常用的直探頭、延遲塊探頭和水浸聚焦探頭3種檢測技術的檢測原理和聲場特性，結合CFRP的聲學特性，選用合適的參數，對層壓結構件內部的分層缺陷進行檢測，并與雙晶探頭檢測結果進行對比，分析了雙晶探頭檢測層壓結構復合材料結構件中分層缺陷的可行性與優缺點。

未經許可創作的演繹作品著作權保護探析.........................................................................杜牧真 李仁玉 12.68

1 復合材料常用超聲檢測技術

超聲波在介質中沿直線傳播，當介質中存在缺陷或異常時，聲阻抗就會發生變化，超聲波在聲阻抗不連續處就會發生反射和透射，能量也隨之變化，根據接收到超聲信號的特點，可以對被檢工件進行質量評定。CFRP等復合材料的常用超聲檢測技術有：① 采用直探頭或延遲塊探頭進行手工檢測，具有靈活性高，可達性強等優勢；② 采用延遲塊探頭或水浸聚焦探頭進行成像檢測[9]，具有檢測結果直觀性好等優勢。目前，相控陣超聲技術也正在復合材料檢測領域得到了推廣應用。各種檢測技術的基礎是要能得到優越的A掃描信號，從而得到準確可靠的檢測結果，因此，有必要對各種超聲檢測技術的A掃描信號的特征進行分析。

1.1 直探頭檢測技術

超聲直探頭常匹配脈沖反射法對被檢工件進行檢測。其檢測原理是在被檢工件的一側放置一個直探頭，既作為發射探頭，又作為接收探頭。當被檢工件中有缺陷時，超聲波傳播至缺陷處會發生反射和透射，反射的超聲波被探頭接收，形成缺陷回波。

1.2 延遲塊探頭檢測技術

2.3.1 試驗裝置

2.3.2 試驗結果

1.3 水浸聚焦檢測技術

在直探頭基礎上加裝聲透鏡，在水介質中對直探頭聲束進行聚焦，使聲能焦點位于工件表面或其內部，可獲得更好的缺陷分辨力。

圖11中，P0為入射波，P1為反射波，與經近表面缺陷反射形成的系列反射波Pd1、Pd2等都會被接收到。對于雙晶探頭，該反射波P1被隔聲層阻擋，不會被接收到。設入射波P0=Aexp(jωt)；上界面反射與透射系數分別為γ與β，聲束經歷近表面缺陷的反射及上表面透射的歷程后的總衰減為α；則

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1.4 雙晶探頭檢測技術

雙晶探頭檢測原理如圖1所示，采用收發分離的方式，在探頭內部并排放置兩個壓電晶片，并用隔聲層將其分隔開。發射晶片可選用發射靈敏度較高的壓電材料制作，接收晶片選用接收靈敏度較高的材料制作，以使得探頭的靈敏度更高，避免了采用單晶探頭進行自發自收檢測時受探頭性能影響出現導致的靈敏度較低的問題。

圖1 雙晶探頭檢測技術原理示意

機械振動鉆進。在地質探測中，遇到砂土或粘性土層時一般選用振動鉆進，但遇到孔深或巖石比較硬的情況時振動鉆進的工作效率就相對比較低。機械振動鉆進的工作原理是鉆探中安裝振動器，在震動器的帶動下鉆桿和鉆頭也隨之產生振動，因為震動器振動速度比較快會使得土層和巖層疏松，從而有效削減了巖層和土層的硬度，然后在鉆具和震動器的雙重作用下，使鉆頭進入到巖土層，完成鉆進任務。

收發分離的方式也使得探頭的接收信號獨立于發射信號，近表面缺陷的回波信號不會與激勵信號混疊而造成漏檢，減小了探頭盲區，提升了近表面缺陷的分辨能力。

采用雙晶探頭檢測復合材料層壓結構件時，應使待檢區域盡可能地位于雙晶探頭的菱形區域內，以提高缺陷的檢出率和檢測靈敏度，確保檢測結果的準確性。

2 幾種檢測技術的對比試驗

2.1 被檢工件與檢測探頭參數選擇

被檢工件為2.5 mm厚的CFRP層壓板，共12個鋪層，在鋪層之間預埋了聚四氟乙烯模擬分層缺陷。缺陷直徑為8.4 mm，分別位于上表面23鋪層之間、中間層和下表面23鋪層之間，被檢工件結構如圖2所示。

圖2 被檢工件結構示意

根據被檢件厚度以及檢測縱向分辨力和橫向分辨力需求，選擇Olympus V201型可更換延遲塊探頭作為直探頭與延遲塊探頭檢測試驗用探頭；選擇Olympus V310型探頭作為水浸聚焦檢測試驗用探頭；特別設計制作了不同頻率和焦距的2個雙晶探頭，其型號分別為5 MHz 4×8 F3和7 MHz 2×6 F2，其頻率分別為5 MHz和7 MHz，晶片尺寸分別為4 mm×8 mm和2 mm×6 mm(長×寬)，在鋼中焦距分別為3 mm和2 mm。

2.2 近表面分層缺陷檢測A掃描信號對比

采用Olympus 5077型超聲激勵接收器連接探頭進行手工檢測試驗，采用DPO 3052型泰克數字示波器采集超聲信號。4種檢測技術原理示意及其對CFRP層壓板近表面分層缺陷檢測的A掃描信號如圖36所示。除圖3的A掃信號中直探頭始波即為上界面波外，其他各探頭的始波已移出顯示范圍。將各個A掃信號中底波對齊并都調至約80%滿屏高度以便進行對比。圖36中虛線與實線信號波形分別為CFRP板有與無缺陷處的A掃描信號。

圖3 直探頭A掃描結果

圖4 延遲塊探頭A掃描結果

圖5 水浸點聚焦探頭檢測原理及A掃描結果

圖6 雙晶探頭A掃描結果

由圖36可以看出：①φ8.4 mm預置人工缺陷均完全阻擋了聲束使底波消失；② 從有無缺陷A掃信號的對比來看，4種方法均可識別出因缺陷引起的信號異常，因此均可檢出近表面缺陷；③ 圖3～5中近表面缺陷信號緊靠在固有的界面波或始波后邊；④ 延遲塊探頭因延遲塊與被檢工件的聲阻抗匹配性更好，其上界面波的持續時間短，因此近表面缺陷檢測效果更好；⑤ 各個探頭的上下兩個界面信號之間時間差為1.7 μs，因此CFRP板中聲速約為3 000 m·s-1； ⑥ 由于板厚為2.5 mm，而缺陷距上表面約0.4 mm，所以缺陷波應出現在上界面波后的1/6處，但從圖3～5的A掃信號圖上看，該處位于界面波或始波信號中。

2.3 成像檢測試驗

在直探頭與工件之間，插入與復合材料聲阻抗基本相匹配的延遲塊(例如有機玻璃)，可以在一定程度上抑制上表面界面波，減小檢測盲區，更好地發揮直探頭檢測技術的優勢。

成像檢測試驗裝置框圖如圖7所示，采用步進電機驅動的機械裝置帶動上述探頭對CFRP層壓板進行x-y方向掃查。掃查區域為110 mm×40 mm(長×寬)，掃查步距為0.5 mm。

圖7 成像檢測試驗裝置框圖

念蓉發誓她并不想追查這件事情。并非她不在意，而是她認為，有時候，在某些事情上追查到底，不僅是自討沒趣、自討苦吃，甚至是自我虐待。

由于近表面缺陷與上表面間距d<波長λ，則界面反射波P1與Pd1、Pd2等缺陷反射波會產生干涉現象，接收到的回波可表示為

圖8 延遲塊探頭檢測結果

圖9 水浸點聚焦探頭檢測結果

圖10 雙晶探頭檢測結果

由圖810可知，3種檢測技術均能有效檢測出復合材料層壓結構中的分層缺陷，且B掃描，C掃描成像效果良好。

大多數小型農田水利工程基本都是20世紀六七十年代建成的，受當時經濟條件以及技術水平的限制，這些水利工程的抗災能力、耐用性都較低，同時缺乏必要的維修養護資金，致使水利工程設施老化失修，水資源浪費現象嚴重。灌溉時大水漫灌，“跑、冒、滴、漏”現象常見，對灌區的灌溉效率與經濟效益產生較大影響。少數農戶隨意耕種溝渠，毀堤取土，造成中小溝渠堵塞，水流不暢；對井灌設施保護不力，老機井損壞嚴重，部分已經不能使用；小型電灌站的溝渠配套、農田整治等工作跟不上，設備銹蝕，部件被盜，很多已不能正常使用。

3 試驗結果分析

3.1 近表面缺陷信號位置分析

對于直探頭來說，一方面由于缺陷位于探頭的近場，另一方面由于始波的電信號阻塞效應嚴重，所以直探頭不利于檢測近表面缺陷。

從圖36可以看出，上表面的界面波一般會持續2個周期，5 MHz探頭在CFRP板中縱波聲速約3 000 m·s-1，其波長約為0.6 mm，因此上界面電信號阻塞效應導致的檢測盲區深度理論上約為1.2 mm。理論上上表面下0.4 mm的分層缺陷在盲區中應難以發現，但由于入射聲束在上表面與近表面缺陷之間存在多次反射象(見圖11)，其實際上是可以被識別的。

圖11 上表面與近表面缺陷之間多次反射示意

不倫不類的學位證書壓在臺桌上，我每天待在書房里不肯出來，堂妹也待在家里，時常忙碌自己的事。偶爾碰上宴席多聊上幾句，我們之間的聯系還是很少。自從搬到新居后，更是少有機會碰面。除夕前，父親告訴我：“堂妹在家總提起你，今天是她的生日，你們趁機會見見面?！蹦菚r，我已經出版了第一個作品，心情自然舒朗得多，怕見了面不知道聊些什么，又想買點什么給她，父親搖了搖頭，“不用買什么了，這點錢算是給她的賀禮?！蔽也桓姨岢霎愖h，順著父親的意愿來到酒店。

式中：A為幅值;j為虛數;ω為角頻率;t為時間;d為缺陷深度。

使用除直探頭外的3種探頭對工件進行B掃描和C掃描檢測試驗，延遲塊探頭的檢測結果如圖8所示，水浸點聚焦探頭的檢測結果如圖9所示，5 MHz F3型雙晶探頭的檢測結果如圖10所示。

S=P1+Pd1+Pd2+…=

由圖1可見，收發壓電晶片與水平面之間存在一定的夾角，從而使得雙晶探頭在被檢工件中形成一個菱形聲場區，該區的中心點F為聲場的焦點，因此，雙晶探頭也具有聚焦特性。當壓電晶片與水平面之間的夾角發生變化時，菱形聲場區的形狀也會隨之發生變化，于是可通過調節晶片角度來改變菱形區域的大小和缺陷回波信號的靈敏度。通過調節延遲塊的高度，可改變工件中的近場區長度和菱形區域在被檢工件中的相對位置，達到減小盲區，提高近表面分辨率的目的。

會上，中國農業大學教授、資源與環境學院副院長江榮風，安徽農業大學黨委常委、副校長姚佐文，安徽六國化工副總經理、總工程師沈浩，代表三方簽署戰略合作協議。

(3)

式(3)中指數項的虛數決定了缺陷回波的相位延遲，即缺陷信號最大值位置與其缺陷實際位置d相比，對應的時間會產生延遲。因此，近表面缺陷信號的峰值位置并不對應實際缺陷的實際位置。

本研究隨機抽取2015年1月—2018年9月期間我院進行過64排CT冠狀動脈造影檢查的臨床確診為冠心病患者95名，經檢查，所有被選取研究對象心電圖均顯示竇性心律，研究對象基本資料如表1所示。

3.2 缺陷定量準確性分析

根據圖810的檢測結果，將φ8.4 mm預置人工缺陷的實際檢出尺寸列于表1中。

表1 實際檢測得到的缺陷大小 mm

由表1中數據可知，雙晶探頭對復合材料層壓結構件中分層缺陷的定量準確度最高，水浸點聚焦探頭次之，延遲塊探頭定量誤差最大。雙晶探頭對于中下層缺陷的定量結果較為準確，上層缺陷定量結果偏?。凰c聚焦探頭對中層缺陷定量較為準確，上層缺陷定量結果偏大，下層缺陷定量結果偏?。谎舆t塊探頭定量結果均偏大，且隨著缺陷深度的增加，定量結果趨于準確。

缺陷定量準確性受探頭的聲場尺寸和焦點位置等聲場特性影響。由于5 MHz F3雙晶探頭在鋼中的焦點位置為表面下3 mm，其在CFRP中的位置則更深(約為8 mm)，因此該雙晶探頭對近表面缺陷的回波信號強度不高，檢測靈敏度不高，造成定量不準。同樣，對于水浸點聚焦探頭，當缺陷位于焦點位置處時，其定量準確性較高，而延遲塊探頭由于聲場較大，定量準確性低。

3.3 檢測結果對比

各技術的C掃圖像都可有效識別出缺陷，且缺陷輪廓清晰，可進行缺陷測量。從圖8和圖9可以看出，水浸聚焦探頭和雙晶探頭具有一定的聚焦功能，能顯示出CFRP的纖維分布形貌。但水浸聚焦探頭部分界面波進入到成像閘門范圍內，致使成像質量變差，對檢測結果的判定造成了一定的干擾。

由B掃圖像可清晰分辨出位于不同埋深處的分層缺陷，但水浸點聚焦探頭和延遲塊探頭的近表面缺陷回波信號緊鄰界面波。若C掃成像閘門選取不當，或探頭脈寬較大，則可能導致近表面缺陷回波信號消失或混疊在界面波中無法有效識別，致使在C掃圖中觀察不到近表面缺陷，造成漏檢。雙晶探頭的檢測結果無界面波干擾，通過合理選擇延遲塊高度、晶片頻率和夾角，可使缺陷位于菱形區域內，減小探頭的盲區，提高近表面分辨率和檢測靈敏度，確保檢測結果的準確性。在定量方面，雙晶探頭的檢測結果更為準確，且不會造成缺陷的漏檢和誤判。

4 結語

(1) 采用延遲塊探頭、水浸點聚焦探頭和雙晶探頭均能檢測出復合材料層壓板結構件中的分層缺陷。相對于鋼而言，CFRP等復合材料的近表面缺陷更易于檢測，可檢測近表面0.4 mm深的分層缺陷。

(2) 采用直探頭和水浸點聚焦探頭檢測復合材料層壓結構件時，界面波的存在對近表面缺陷成像造成干擾，且定量誤差大。由于近表面缺陷與上表面之間的缺陷波會發生反射和干涉，會造成缺陷反射回波的峰值位置延遲，進而造成近表面缺陷深度位置測量不準確。

在高速動車組運行過程中，由于潮流分布和系統元件參數變化，牽引供電系統會產生過電壓。過電壓通常會引起供電系統絕緣閃絡，造成斷路器跳閘，影響供電系統安全運行；同時，過電壓還可能會造成高壓電氣設備被擊穿，從而釀成事故，以致供電中斷。因此，有效安全地獲取過電壓的數據，掌握其分布規律，并實時監測其變化就顯得尤為重要。

(3)采用雙晶探頭檢測復合材料層壓結構件時，定量較為準確，近表面缺陷識別效果好，避免了界面波的干擾，提高了檢測結果的準確性。