多相非均質GFRP材料的超聲檢測及其聲學特性

張書寧，劉小川，馬志遠，武 玉，林 莉

(1.大連理工大學 無損檢測研究所， 大連 116024；2.合肥綜合性國家科學中心能源研究院(安徽能源實驗室)， 合肥 230051)

玻璃纖維增強樹脂基(GFRP)復合材料是以玻璃纖維或玻璃纖維織物為增強體，樹脂為基體，通過特殊的材料復合工藝制成的，具有絕緣、耐低溫、抗輻射等特性，其具有較高的低溫強度和較高的低溫斷裂韌性，被廣泛用于超導磁體的絕緣[1-2]。例如目前全球規模最大的“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”裝置，其核心部件之一的超導磁體PF6線圈就采用GFRP復合材料作為絕緣層[3]。該絕緣層承擔著機械支撐、阻止導體之間的電氣連接和保護繞組正常工作等任務。復合材料常見缺陷類型有分層、氣孔、富樹脂和夾雜[4]，這些缺陷會對材料性能產生影響，在服役過程中帶來安全隱患，因此利用無損檢測方法對GFRP材料進行缺陷檢測具有重要意義[5]。

超聲檢測具有靈敏度高、能量集中、適用范圍廣、檢測速度快和對身體無害等優點，在GFRP材料無損檢測中有廣闊的應用前景。許多學者對鋪層結構較為簡單的GFRP材料開展研究，李曉紅等[6]采用相控陣超聲檢測技術檢測出了GFRP拉桿中距端面300 mm以內2 mm深，0.5 mm寬的人工徑向裂紋。王浩全等[7]借助超聲C掃描技術檢測出了GFRP層板中φ1.0 mm的人工直孔和厚度為0.5 mm的人工鋁片。凡麗梅等[8]對GFRP層板預制分層缺陷進行了水浸超聲C掃描成像，可檢出10.0 mm深，尺寸為3.2 mm×3.2 mm×0.02 mm(長×寬×高)的分層。由于GFRP材料通常具有組成成分多樣和鋪層結構復雜等特點，工藝控制比較困難，除了裂紋、氣孔、夾雜和分層等缺陷外，材料內還很容易出現層間樹脂分布不均勻和纖維屈曲、纏繞等現象，這些因素都可能干擾超聲波在材料中的傳播。ZHANG等[9]發現復合材料層間樹脂分布不均勻和纖維屈曲會對信號幅值比和傳播時間等參數產生較大影響。ONO[10]發現玻璃纖維角度和種類不同時聲速和時域衰減系數會存在較大范圍波動。陸銘慧等[11]發現聲速和時域衰減系數等參數會隨GFRP孔隙率變化。綜上，纖維增強樹脂基復合材料具有多相非均質性，而導致超聲波傳播行為復雜，信號辨識難度大，檢測信噪比低，給復合材料的缺陷檢測帶來了困難。

針對超導磁體絕緣層用GFRP復合材料的超聲檢測問題，對不同厚度層板試樣和絕緣層試塊中的人工鋼片以及分層、富樹脂等共計3種、11個缺陷進行超聲檢測試驗，分析了A掃描及B掃描的結果特征，結合金相檢驗驗證了超聲檢測的有效性，并討論了材料非均質性導致的聲速和衰減波動對缺陷檢測的影響。

1 GFRP材料聲學特性

1.1 試驗樣品

圖1 玻璃纖維正交編織帶微觀結構示意

試驗樣品為GFRP層板試樣和內部為316L不銹鋼的絕緣層試塊，所用玻璃纖維為正交編織帶，其微觀結構如圖1所示，采用的樹脂包括聚酰亞胺樹脂和雙酚F環氧樹脂(GY 282型)。兩類GFRP樣品均采用真空壓力浸漬(VPI)工藝制備，VPI是指將玻璃纖維織物和聚酰亞胺按照鋪層結構要求進行鋪層，隨后對鋪層和環氧樹脂體系分別抽真空，緩慢將樹脂體系輸入鋪層結構浸漬，浸透后對試樣整體加壓，并在此壓力下加溫凝膠固化[1]。

層板試樣的尺寸為200 mm×200 mm(長×寬)，1#,2#,3#層板厚度分別為1.21,3.32,4.39 mm。每個層板均包含直徑分別為1.0,3.0,5.0 mm的圓形人工鋼片，1#,2#,3#層板缺陷深度分別為0.62,1.60,2.95 mm，層板試樣實物如圖2所示。

圖2 GFRP層板試樣實物

絕緣層試塊內部為316L不銹鋼，外部包覆厚度為4.4 mm的GFRP層，試塊尺寸為400 mm×114 mm×114 mm(長×寬×厚)，絕緣層試塊包繞結構如圖3所示。通過目視檢測發現2個異常區域，記作① 和②，隨機選取1處無異常區域，記作③，絕緣層試塊實物如圖4所示。

圖3 絕緣層試塊包繞結構示意

圖4 絕緣層試塊實物

1.2 聲學特性表征

采用脈沖反射法計算材料聲速c和時域衰減系數α，其表達式為[12]

(1)

(2)

式中：d為材料厚度；Δt為表面反射回波和一次底面反射回波之間的時間差；A1為表面反射回波聲壓；A2為一次底面反射回波聲壓；R為聲壓反射系數；T為聲壓透射系數；可以通過聲壓反射/透射定律計算；下標1表示楔塊，下標2表示GFRP材料，下標3表示空氣。

超聲檢測系統包括Olympus 5800型超聲脈沖發射儀、Tektronix-DPO 4032型數字示波器和中心頻率為5 MHz的常規縱波直探頭。采集各層板每個缺陷附近區域的A掃描信號，3種厚度GFRP層板缺陷附近的典型A掃信號如圖5所示。觀察發現，隨著層板厚度由1.21 mm增加到4.39 mm，底面回波逐漸變弱。1#層板層間反射難以識別，2#和3#層板層間反射較明顯。分析認為，1#層板最薄，層間反射弱且與表面和底面回波混疊；隨著2#和3#層板厚度逐漸增加，層間反射逐漸增強。

根據A掃描信號計算聲速和時域衰減系數，得到以下數據：1#層板聲速在2 918.46～3 256.41 m·s-1之間，時域衰減系數在8.22～12.58 dB·mm-1之間；2#層板聲速在2 698.71～2 800.05 m·s-1之間，時域衰減系數在6.33～7.09 dB·mm-1之間；3#層板聲速在2 738.31～2 900.04 m·s-1之間，時域衰減系數在5.03～5.32 dB·mm-1之間。GFRP層板聲速及時域衰減系數測量結果如表1，2所示。

圖5 3種厚度GFRP層板缺陷附近的典型A掃描信號

表1 GFRP層板聲速測量結果 m·s-1

2 試驗結果及分析

采用相控陣超聲檢測技術對層板進行檢測，檢測設備為Omniscan MX2型相控陣超聲檢測儀，選用32陣元線陣探頭及其匹配的零度楔塊，探頭中心頻率為5 MHz。

表2 GFRP層板時域衰減系數測量結果 (dB·mm-1)

2.1 層板人工缺陷檢測

1#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結果如圖6所示,在A掃描和B掃描中均可以觀察到直徑為5.0，3.0，1.0 mm的缺陷。由于缺陷距離上表面較近(0.62 mm)，A掃描中缺陷回波與表面回波略有混疊，但仍能區分。隨著缺陷直徑尺寸由5.0 mm減小到1.0 mm，缺陷回波幅值逐漸降低。B掃描結果中缺陷清晰可見，無缺陷處層間反射回波形成偽像，偽像幅值較缺陷幅值低。

圖6 1#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結果(左：A掃，右：B掃)

2#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結果如圖7所示,可見，缺陷識別效果與1#層板類似，3個不同尺寸缺陷均可觀察到。由于缺陷深度增加，A掃描中缺陷回波與表面回波分離，隨著缺陷直徑由5.0 mm減小到1.0 mm，缺陷回波幅值逐漸降低。類似地，B掃描結果可以清晰識別缺陷。

圖7 2#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結果(左：A掃，右：B掃)

圖8 3#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結果(左：A掃，右：B掃)

3#層板缺陷的A，B掃描結果如圖8所示，在A掃描和B掃描結果中均可以觀察到φ5.0 mm和φ3.0 mm缺陷。對于φ1.0 mm缺陷，由于缺陷距離上表面較遠(2.95 mm)，A掃描中缺陷回波幅值低，與層間反射回波幅值相當且混疊，B掃描結果中難以識別。

材料本身的非均質性會導致層板聲速存在明顯波動，故此處采用每個缺陷附近區域的聲速對缺陷深度進行計算，3種厚度層板不同缺陷的定位結果如表3所示，可見，3種不同厚度層板9個人工鋼片計算深度與預埋深度的相對誤差最大值為3.88%。

表3 3種厚度層板不同缺陷的定位結果

2.2 絕緣層試塊實際缺陷檢測

使用上述超聲檢測工藝對絕緣層試塊的①、②、③區域進行檢測。對應的B掃描結果及實物照片如圖9所示。由區域①的B掃描圖像可觀察到疑似分層缺陷，采用6 dB法(半波高度法)對缺陷進行定量，缺陷尺寸約為40.6 mm×15.2 mm(長×寬)，對應的實物照片如圖9(d)所示。區域②對應的B掃描圖像[見圖9(b)]未觀察到明顯缺陷，實物照片如圖9(e)所示。區域③屬于目視無異常區域，對應的B掃描圖像[見圖9(c)]中亦未識別到明顯缺陷，實物照片如圖9(f)所示。

為了驗證超聲檢測結果，對區域①、②、③部位進行解剖和宏觀金相檢驗。絕緣層試塊不同區域的金相照片如圖10所示。區域①的金相照片中白色長條為聚酰亞胺，厚度約為0.05 mm，每兩層聚酰亞胺之間是玻璃纖維正交編織帶與環氧樹脂混合層，黑色長條為分層缺陷，橫穿整個長度范圍，寬0.13 mm。由區域②的金相照片觀察可知，此處存在明顯的樹脂富集，分析認為，由于材料采用VPI工藝制備，樹脂與玻璃纖維浸漬在一起，阻抗差異不大，未引起明顯的界面響應。區域③的金相照片未發現異常。

圖9 絕緣層試塊3個區域B掃描結果及實物照片

圖10 絕緣層試塊不同區域的金相照片

2.3 分析及討論

GFRP多相材料鋪層結構復雜，同時有較強的非均質性，導致材料的聲學特性在一定范圍內波動。ONO[10]對玻璃纖維種類和取向不同的GFRP材料聲速和時域衰減系數進行了研究，結果表明：采用1 MHz探頭，0°，90°單向和織物GFRP的聲速范圍為2 840～5 060 m·s-1；平均聲速為4 366.43 m·s-1；整體聲速相對于平均聲速波動達35.0%；時域衰減系數范圍為0.072 6～0.441 0 dB·mm-1；平均時域衰減系數為0.17 dB·mm-1，整體時域衰減系數相對于平均時域衰減系數波動達128.5 %。筆者結合GFRP材料試驗樣品，從聲速、時域衰減系數和偽像等3個方面分別進行分析及討論。

(1) 聲速波動會給缺陷定位帶來誤差，2.1節中采用缺陷附近區域的聲速，對9個缺陷深度進行了計算，其中誤差最大的是2#層板試樣中深度為1.66 mm的人工鋼片，缺陷定位誤差為3.88%。實際檢測中難以確定每個區域的準確聲速，若采用層板的最小、平均或最大聲速對缺陷深度進行計算，對于厚為4.39 mm的層板中深度為4 mm的缺陷，定位誤差最大值將達到12.38%。所以在實際檢測中，在對強非均質性材料中深度較大的缺陷進行定位時，建議采用缺陷附近的聲速進行計算。

(2) 時域衰減系數波動會對缺陷的識別和定量造成一定影響，材料本身衰減高且層間反射回波復雜，會導致缺陷回波的信噪比較低，給缺陷識別帶來一定困難，容易出現漏檢。從圖8(c)的A掃描結果可以看出，φ1.0 mm缺陷回波與層間反射回波發生混疊，且幅值相當，缺陷難以識別。實際檢測中可以通過時間校正增益、補償或修正等來提高信噪比。

(3) 材料的非均質性會引起復雜的超聲波折射和散射，同時，散射波強度和方向具有不確定性，導致回波信號復雜，有時存在偽像，給復合材料的缺陷檢測帶來了困難。可以考慮借助金相解剖、微觀觀測等方法對GFRP材料的非均質程度進行描述，并采取試驗和仿真相結合的方法開展研究。

3 結論

(1) 通過研究GFRP材料的聲學特性，發現同一層板聲速和時域衰減系數波動性較大，不同厚度層板之間也存在差異。層板平均聲速為2 881.77 m·s-1，整體聲速相對于平均聲速波動達13.0%；平均時域衰減系數為7.19 dB·mm-1，整體時域衰減系數相對于平均時域衰減系數波動達74.9%。材料本身存在很強的非均質性和高衰減性，同時還有著復雜的鋪層結構時，會對缺陷的定位定量造成一定的影響。

(2) 對3種厚度的GFRP層板試樣中φ5.0，3.0，1.0 mm的人工缺陷進行超聲檢測，厚度1.21 mm和3.32 mm層板試樣中所有缺陷均可檢出，厚度4.39 mm層板試樣中可識別φ5.0 mm和φ3.0 mm缺陷。在絕緣層試塊中檢測出的分層缺陷尺寸約為40.6 mm×15.2 mm(長×寬)，材料內部存在的高衰減可能導致定量不準確。

(3) 討論了GFRP材料非均質性引起的聲速及時域衰減系數波動和偽像對缺陷檢測的影響，并提出了一些對策。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術優秀論文評選”活動二等獎。