含典型缺陷復(fù)合材料激光超聲損傷探測機(jī)理

吳健豪,付蘭凌,楊金水

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150001;哈爾濱工程大學(xué) 青島創(chuàng)新發(fā)展基地,山東青島 266000)

與金屬材料相比,復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、質(zhì)量小及抗疲勞等優(yōu)秀的力學(xué)性能,且制造工藝簡單,性價比高[1]。這些優(yōu)點使復(fù)合材料成為航空航天、航海艦船及裝甲車輛等國防領(lǐng)域的戰(zhàn)略性材料[2-3]。在船舶領(lǐng)域,復(fù)合材料主要制成層合結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu),用于艙壁及甲板等部位,能充分發(fā)揮其輕質(zhì)、耐腐蝕、耐低溫及電磁兼容性強(qiáng)等優(yōu)點[4]。在航空航天領(lǐng)域,復(fù)合材料主要應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu),整體使用率已達(dá)50%,可使飛機(jī)減重 20%～40%[5]。在土木建筑領(lǐng)域,復(fù)合材料在滿足強(qiáng)度需求的同時,質(zhì)量僅為鋼材的20%,摻入混凝土后可有效提升混凝土的強(qiáng)度、韌性和耐久性[6]。在汽車制造領(lǐng)域,復(fù)合材料能提高燃油效率,減少CO2排放,具有減重潛力大、安全性好及環(huán)保等突出優(yōu)點,是汽車輕量化的最佳選擇[7]。

然而,在制備和服役過程中,由于制造工藝和工作環(huán)境等因素,復(fù)合材料會不可避免地產(chǎn)生各種類型的損傷。因此,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的無損檢測是保證結(jié)構(gòu)安全的重要環(huán)節(jié)。目前,可應(yīng)用于復(fù)合材料的無損檢測方法有超聲檢測、射線檢測及紅外熱成像等。其中,超聲波傳播距離遠(yuǎn),可對較厚的材料進(jìn)行探測,且靈敏度高,能對缺陷的深度和大小進(jìn)行精準(zhǔn)檢測,廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的無損檢測[8]。傳統(tǒng)的超聲檢測使用壓電換能器激發(fā)超聲波,并通過耦合介質(zhì)將聲波導(dǎo)入到被檢測的復(fù)合材料中,最終通過換能器將被檢材料中的聲波振動轉(zhuǎn)換為電信號,實現(xiàn)超聲波的激勵及探測,因此,其檢測結(jié)果受耦合介質(zhì)的影響[9]。……