編織復合材料低速沖擊損傷超聲熱成像檢測

李 胤，宋遠佳，江海軍，陳 飛，張 凱

〈無損檢測〉

編織復合材料低速沖擊損傷超聲熱成像檢測

李 胤1，宋遠佳1，江海軍2，陳 飛2，張 凱2

（1. 中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000；2. 南京諾威爾光電系統有限公司，江蘇 南京 210014）

編織復合材料低速沖擊損傷主要為內部的分層損傷，采用目視檢測無法有效檢測損傷，損傷使得結構承載能力嚴重降低，威脅編織復合材料構件的安全使用。本文使用超聲紅外熱成像技術對編織復合材料低速沖擊損傷進行無損檢測研究，使用10J、20J、30J、40J、50J的沖擊能量制作了5個試件。對超聲激勵過程的溫升曲線、空間溫度曲線進行了詳細分析；對比不同沖擊能量試件發現，低速沖擊下損傷主要是內部損傷，沖擊能量越大，損傷區域越大，且損傷具有延展性。采用曲線分類算法對損傷區域進行了定量識別，發現編織復合材料損傷面積和沖擊能量成線性關系。

超聲紅外熱成像；編織復合材料；低速沖擊損傷；無損檢測

0 引言

編織復合材料是由碳纖維材料為增強體，以環氧樹脂為基質，由不同方向纖維鋪層疊加組成的新型復合材料，其具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕、耐老化、耐熱性的優點。編織復合材料由于制造成本低、生產效率高、機械性能突出、具有纖維互鎖的網狀結構[1]。編織復合材料在制造和適用過程中會碳纖維復合材料實現輕量化的同時，還能提供產品相當的安全性和可靠性，已被廣泛應用于航空航天、汽車、輪船、運動器械等[2-4]。NASA噴氣發動機風扇機匣、波音787飛機風扇機匣都采用的是編織復合材料。復合材料結構是由纖維鋪層疊加而成，在面臨碰撞和沖擊時，纖維和纖維之間都是由基體傳遞載荷，沖擊容易造成材料基體開裂、分層、脫粘等缺陷，編織層壓板沖擊損傷模式主要是層間分層，不會出現纖維劈裂等損傷模式[5]。在結構表面看不出來損傷缺陷，目視檢測也無法檢測出缺陷信息，但其內部可能因瞬時沖擊能量的吸收，產生了嚴重的損傷，使得材料結構失效、材料性能降低，對結構承載能力造成大幅度下降[6-7]。因此，有效及時檢測編織復合材料內部損傷或缺陷情況，對于保證復合材料結構件可靠性具有重要的意義。

超聲紅外熱成像技術以超聲作為熱激勵源，激勵過程中僅界面類缺陷或閉合裂紋發熱，正常區域不發熱，屬于選擇性激勵方式，更適合于不規則形狀材料界面缺陷或閉合裂紋檢測。因此目前超聲紅外熱成像技術主要應用在對金屬裂紋的檢測[8-11]。韓夢[12]等采用超聲紅外熱成像對鋁金屬的疲勞微裂紋進行檢測，微裂紋最小寬度為20mm；習小文[13]等采用超聲紅外熱成像技術對航空發動機葉片裂紋進行檢測，最小檢測裂紋寬度為0.5mm。G. Busse等[14]最早將超聲紅外鎖相熱成像檢測技術引入到復合材料界面類缺陷檢測。田干等[15]采用超聲紅外熱成像技術對航空復合材料進行數值仿真研究，建立含裂紋缺陷復合材料的有限元模型；金國鋒、張煒等[16-17]通過數值計算和試驗研究了超聲紅外熱成像技術對復合材料沖擊損傷檢測的適用性；李胤等[18]采用超聲紅外熱像檢測對復合材料層合板24J和29J沖擊損傷進行檢測研究，并與超聲C掃進行對比，結果表明超聲紅外熱像檢測可檢測出復合材料不同損傷形式，并且比超聲C掃檢測速度快、檢測精度高。

目前對沖擊能量損傷研究大部分基于1個或2個沖擊能量對復合材料損傷的研究，為了解不同沖擊能量對編織復合材料損傷及擴展情況，采用10J、20J、30J、40J、50J沖擊能量對不同編織復合材料進行沖擊，并對沖擊過程中的沖擊能量-時間曲線進行了記錄，采用超聲紅外熱成像技術對不同沖擊能量損傷試件進行檢測與分析。

1 基本原理

1.1 超聲熱成像技術的檢測原理

超聲紅外熱成像技術是將超聲波激勵和紅外熱成像兩者結合的新型無損檢測方法，屬于主動式紅外無損檢測方法的一種。超聲紅外熱成像技術的檢測原理如圖1所示，是通過將高頻超聲波（20～40kHz）耦合注入待測試件，超聲波經過界面耦合在試件中傳播，在超聲波的作用下，試件缺陷由于塑性變形、摩擦作用、粘彈性效應等產生熱量，使得裂紋、損傷區域溫度升高，在熱傳導作用下，其裂紋或損傷位置對應的試件表面溫度也相應的升高，利用紅外熱像儀采集試件表面的紅外熱序列圖像，對紅外序列圖像進行處理便可得到其內部缺陷信息。相較于其他激勵方式的紅外熱成像技術，例如：閃光燈激勵、紅外燈激勵、激光激勵等，這些激勵方式都屬于面激勵，不論是缺陷區域還是無缺陷區域，試件表面被整體加熱，表面吸收的能量通過熱傳導到試件內部，遇到隔熱性缺陷時，熱波反射回表面。超聲紅外熱成像技術是對試件局部加熱，其僅對缺陷的區域進行加熱，無缺陷區域不進行加熱，屬于選擇性加熱方式，在超聲激勵下產生相對位移的缺陷區域溫度都將升高，相當于是體加熱方式，并且從缺陷區域通過熱傳導的方式傳播到試件表面，僅傳播了單次的距離。

圖1 超聲紅外熱成像技術原理

1.2 超聲熱成像技術的檢測原理

超聲波在試件內界面缺陷處衰減產生熱量，缺陷處則成為熱源。由此可知，超聲波激勵產生的熱流率的傳播滿足熱傳導方程：

式(1)中：為溫度，℃；k、k、k分別為在三個維度上的導熱率，W/(m·℃)；為密度，kg/m3，為比熱容，J/(kg·℃)。

熱傳導方程(1)的初始條件為：

(,,,)＝0＝0 (2)

式(2)中：0為環境溫度，℃。

熱傳導方程支配熱傳導及其擴散過程，試件檢測過程時間比較短，表面溫度變化比較小，忽視試件表面對流和熱輻射，則：

式(3)中：為熱擴散率，m2/s；?2為拉普拉斯算子，

分別對上式進行關于空間(,,)的傅里葉變換得到：

常微分方程的解析解為：

對T(,)進行傅里葉反變換得到：

式(6)為超聲波在試件內界面缺陷熱源公式，式子表示，熱源公式是一個復雜函數表達式。

2 試驗與結果分析

2.1 碳纖維復合材料沖擊損傷

試驗用的碳纖維復合材料是T700編織復合材料層壓板，編織技術制造網格狀堆疊而成，鋪層方式為－45/90/45/0，經過浸漬固化直接形成復合材料結構，試件共5件，試件尺寸均為150mm×100mm×4mm，對5件試件進行沖擊試驗，沖擊能量分別是10J、20J、30J、40J、50J，沖擊能量-時間曲線如圖2所示，沖擊后試件光學圖像如圖3所示，圖3(a)為試件正面，為沖擊面，圖3(b)為試件背面，光學圖像上很難看到試件表面有損傷。

圖2 沖擊能量-時間曲線

2.2 超聲熱成像檢測系統

超聲紅外熱成像系統如圖4所示，系統主要包括超聲激勵電源、超聲槍、紅外熱像儀、夾具、圖像處理和控制系統。超聲槍包括換能器、調幅器、工具桿，最大功率為1200W，激勵頻率為20kHz，超聲激勵時間可設置為0.2～20s。通過超聲激勵電源箱控制器調節輸出功率大小，預緊力大小通過機械控制，預緊力大小最大可設置1000N。紅外熱像儀型號為FLIR A655sc，屬于非制冷型紅外熱像儀，工作波段為7.5～14mm，室溫下等效噪聲溫差為0.04K，圖像分辨率為640pixel×480pixel。

圖3 沖擊后試件光學圖像

試驗過程中超聲槍不直接作用于試件表面，試件固定在夾具上，夾具固定在平臺上，超聲槍頂在夾具上面，在試驗過程中，需要確保超聲波有效注入到夾具中，夾具和試件要接觸良好，超聲槍在20kHz的激勵下，振幅約為幾十微米，如果超聲槍與夾具之間接觸不好，則超聲能量無法傳遞到夾具上，因此設置超聲槍與夾具的預緊力為200N，預緊力是通過旋轉預緊力手柄迫使預緊力系統單元向前移動，內部彈簧受到擠壓，從而對超聲槍頭產生壓力，超聲槍頭壓緊夾具。校正好紅外熱像儀，超聲激勵時間為1.5s，采集頻率為50Hz，采集時間為10s。

2.3 檢測結果分析

試驗中共有5種不同沖擊能量的試件，選取30J能量沖擊能量的試件3#進行分析，圖5所示為超聲紅外熱成像系統檢測試件3#所示的紅外序列熱圖，從圖5中可以看出，超聲激勵前，看不到任何熱斑信息，隨著超聲持續激勵，圖像中熱斑信息逐漸清晰，0.08s時稍微可以看到零星散點，到0.5s時逐漸形成了較為清晰的熱斑，超聲激勵時間為1.5s，紅外序列中時間為1.6s時熱斑最為清晰，在超聲激勵結束后，沖擊損傷區域不能持續發熱，僅能靠自身熱傳導把熱斑區域的能量傳遞到低溫區域，逐漸達到溫度平衡，從紅外序列圖中表現為圖像越來越模糊，對比度越來越低，到8.66s時已不能分辨出熱斑輪廓信息，隨著熱傳導的進行，將不能檢測到任何熱斑信息，所檢測到的紅外圖像與0.02s時圖像一致。

圖4 超聲紅外熱成像系統

圖5 試件3#紅外序列熱圖

圖6為不同位置處A點、B點、C點、D點、E點的溫升變化曲線，由圖6曲線可以看出，超聲激勵后，損傷區域溫度迅速上升，且各點溫度上升不盡相同，A點為試件3#的溫升最高點，最高溫升可達到8℃，B點和C點為其他區域溫升點，這3個點溫升曲線有一個特點，溫升曲線都是呈現先上升再下降的過程，這3個點代表著試件內部有持續發熱的熱源，這些熱源就是在超聲激勵下，損傷處由于摩擦生熱等原因產生的熱源。D點溫升曲線只有溫升的過程，沒有下降的過程，從圖像上看，C點位熱斑區中間位置，D點處于C點上方，D點處于熱斑區域的邊緣，邊緣位置損傷比較輕微，溫升沒有那么高，但依然會在持續激勵過程中溫度不斷上升，等熱激勵結束以后，隨著熱擴散的進行溫度將下降，由于其處于熱斑的邊緣區域，熱斑處的熱量會由于熱擴散向低溫區域傳播，C點和D點的溫度由于熱擴散會逐漸接近，因此導致D點溫度下降曲線基本是平的。E點代表著無熱斑區域，即無損傷區域，溫升曲線基本是平坦的，E點對應位置的內部沒有發熱源，與上文分析一致。

圖6 試件3#不同點溫升曲線

為了更形象描述不同幀之間空間溫度變化曲線，分別取圖5所示前6個時間點的對應圖像的空間溫度變化曲線，直線所對應的位置為圖7所示紅色空間直線對應的位置，左邊是起始點，對應的距離為0，右邊對應的距離為141.5mm。曲線橫坐標為距離，縱坐標為溫度，環境溫度約為22℃，＝0.02s對應的空間曲線是超聲激勵之前的空間溫度曲線，溫度基本相同，沒有太明顯變化，＝0.08s紅外圖像上可以看到零星散點，紅色空間直線正好位于散點上，在空間溫度曲線上正好可以看到損傷處對應位置處有凸起，隨著超聲激勵的加載，損傷區域空間溫度曲線溫度逐漸升高，并且其對應的寬度稍微有所增加，但溫度升高的點僅限于損傷區域，非損傷區域對應的曲線基本是不變的，重疊在一起；損傷區域＝0.24s對應的空間溫度曲線就比＝0.08s對應的空間溫度曲線要高，同樣的損傷區域＝0.50s對應的空間溫度曲線比＝0.24s對應的空間溫度曲線高，到超聲激勵結束時間附近＝1.6s，空間溫度曲線升高最高值，圖7對應的最高曲線。超聲激勵結束后，損傷區域不再主動發熱，內部熱源消失，溫度開始下降，空間溫度曲線也隨之下降，＝2.28s損傷區域對應的曲線的值就比＝1.6s對應曲線值有所下降。圖像中紅色箭頭指示的空間距離約60mm時間為＝0.50s和＝1.60s損傷區域的邊緣點，溫度比其旁邊兩個尖峰都要低，當超聲激勵結束以后，隨著熱擴散的進行，＝2.28s對應的溫度反而要比＝1.60s對應的溫度要高，此時該區域對應的2個尖峰也變成了一個大而平滑的尖峰曲線，在紅外序列圖像中就表現為圖像變模糊，與圖5所示圖像相對應。

圖7 試件3#空間溫度曲線

2.4 不同沖擊能量試件結果與分析

圖8為不同沖擊能量沖擊試件的檢測圖像，從光學圖像上都看不到表面的損傷信息；從檢測圖上看，沖擊能量為10J的1#試件檢測圖上有3個小的熱斑區域，沖擊能量為20J的2#試件看出熱斑區域連成了一個整體，沖擊能量為30J的3#試件可以看到熱斑已延展開，沖擊能量為40J的4#試件檢測圖上看出形成的熱斑延展成一條長的縫，沖擊能量為50J的5#試件檢測熱圖上熱斑幾乎貫穿對角線，并且還有額外2條分支。試件是二維編織技術制作的二維編織復合材料，編織使得纖維之間連成了有機的整體，使得二維編織復合材料展現出了較強的整體性。在沖擊能量的作用下，外表面幾乎看不出損傷信息，當編織復合材料受到小的外部沖擊后，不足以破壞有機的整體，損傷區域僅限于沖擊點周圍；當編織復合材料受到大的外部沖擊后，其內部將會產生大的面積分層，損傷展現出延展性。

2.5 損傷區域識別

衡量超聲紅外熱成像技術對編織復合材料檢測能力關鍵是對損傷區域進行提取，采用雙閾值分割，對圖5中時間為＝0.50s、＝1.60s、＝2.28s圖像進行分割，分割效果如圖9所示，無法達到理想的分割效果。底部區域是超聲激勵中夾具位置，夾具在超聲激勵作用下溫度升高，通過熱傳導會把試件底部的溫度升高，采用雙閾值分割方法無法把該區域給剔除，對比3張圖分割效果可以看出，選用不同時間的圖像，分割的結果不盡相同。

圖8 不同沖擊能量試件檢測圖像

圖9 試件3#雙閾值分割效果

由于紅外序列圖中單幀圖像由于熱傳導一直在發生變化，采用單幀圖像分割算法會由于選取的幀不同而導致分割區域的差異，為了準確提取損傷區域，本文采用曲線分類算法，利用每一個像素點的溫升曲線進行分類，定義損傷區域強弱程度，溫升曲線有上升沿和下降沿的點為熱斑中心區域，該區域損傷比較嚴重，圖6所示對應的A、B、C三個點，該像素點置紅色；溫升曲線有上升沿但無下降沿的點為損傷比較輕微，圖6所示對應的D點，該像素點置綠色；溫升曲線基本不變化的為無損傷區域，圖6所示的E點，該像素點置黑色。不同沖擊能量試件分割效果如圖10所示。對比于雙閾值分割，采用曲線分類算法分割效果比較好，且圖像中有兩種顏色表示，紅色區域基本對應于檢測圖像中的亮熱斑區域。

表1為不同沖擊能量試件損傷面積統計，從表格中可以看出，沖擊能量越大，損傷面積越大，但是試件4#損傷面積反而比試件3#損傷面積小。注意到在沖擊試驗中，圖2所示沖擊能量-時間曲線，試件4#峰值沖擊能量是40J，正常沖擊結束處的能量是30J左右，但沖擊結束處的能量只有20J，反而低于試件3#沖擊結束處的能量24J，所以造成這種對應關系不匹配的情況。

圖10 不同沖擊能量試件分割效果

表1 不同沖擊能量試件損傷面積

由于試件4#沖擊結束處能量偏低，因此把其他4個試件的沖擊能量和損傷面積作為損傷面積關系圖，如圖11所示，可以發現損傷面積和沖擊能量成線性關系，與碳纖維層合板沖擊損傷面積和沖擊能量關系曲線相同[19]。

圖11 編織復合材料損傷面積與沖擊能量的關系

3 結論

編織復合材料沖擊損傷主要涉及復合材料的分層損傷，這些損傷無法采用目視檢測，且損傷會使得結構承載能力嚴重降低，從而威脅復合材料構件的安全使用。制作了編織復合材料層壓板試件共5件，并對不同沖擊能量下沖擊損傷開展了超聲紅外熱成像技術研究。超聲激勵試件時，沖擊損傷區域由于摩擦等因素產生熱量，相當于內部有熱源的存在；無損傷區域不生熱，使用紅外熱像儀采集紅外圖像序列便可實現對損傷區域檢測，本文以試件3#為例對超聲激勵過程的溫升曲線、空間溫度曲線進行了詳細的分析。并對10～50J沖擊能量試件進行了對比分析，最后采用曲線分類算法對損傷區域進行了定量識別，發現編織復合材料損傷面積和沖擊能量成線性關系。后續的工作是采用其他技術手段（如超聲C掃描無損檢測技術）確認試件損傷區域面積，以及對損傷區域的評估，將對損傷定量化及曲線分類算法得到更進一步提高。

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Low-velocity Impact Damage Detection of Woven Composites Based on Ultrasonic Infrared Thermography

LI Yin1，SONG Yuanjia1，JIANG Haijun2，CHEN Fei2，ZHANG Kai2

(1.,621000,; 2.,210014,)

Low-velocity impact damage of woven composites is mainly caused by internal delamination damage, which cannot be effectively detected by visual inspection; this seriously reduces the structural load-bearing capacity and threatens the safe use of the compiled composite components. In this study, ultrasonic infrared thermography was used to perform nondestructive testing of the low-velocity impact damage of woven composites, and five specimens were produced using impact energies of 10, 20, 30, 40, and 50J. The temperature increase and space temperature curves of the ultrasonic excitation process were analyzed. By comparing different impact energy specimens, it was found that the damage under low-speed impact was mainly internal, and the larger the impact energy, the larger the damage area. Moreover, the damage was ductile. The damage area was identified quantitativelyusing a curve classification algorithm. It was found that the damage area of woven composites and the impact energy were linearly correlated.

ultrasonic infrared thermography, woven composites, low-velocity impact damage, nondestructive testing

V45

A

1001-8891(2023)08-0876-08

2022-04-19；

2022-04-26.

李胤（1990-），男，博士，工程師，主要從事結構檢測與性能評估工作。E-mail：DIYLLLLY@163.com。

江海軍（1988-），男，碩士，高級工程師，主要從事紅外無損檢測技術研發工作。E-mail：navy63@163.com。

國家自然科學基金（52005495）；中國空氣動力研究與發展中心基礎和前沿技術研究基金（PJD20200223）。