民機(jī)復(fù)合材料超聲無損檢測技術(shù)

1、民機(jī)復(fù)合材料超聲無損檢測技術(shù)摘要：隨著現(xiàn)代航空航天業(yè)對復(fù)合材料應(yīng)用的不斷增多，對這些材料的檢測日益成為該領(lǐng)域的重點和難點。本文主要介紹了一些常用的與航空航天復(fù)合材料相適應(yīng)的超聲無損檢測技術(shù)。關(guān)鍵字：航空航天 復(fù)合材料 無損檢測 超聲檢測 c掃描檢測 rf超聲檢測 空氣耦合1.引 言復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同的物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮出各種材料的優(yōu)點，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，近幾年更是取得了飛速的發(fā)展。然而由于復(fù)合材料的非均質(zhì)性

2、和各項異性，在制造過程中工藝不穩(wěn)定，制造過程復(fù)雜，在制作成型過程中受設(shè)備、環(huán)境、人員及原材料等因素的影響極易在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生空穴、裂紋、分層、多孔、輸送、界面分離、夾雜、樹脂固化不良、鉆孔損傷等缺陷。在應(yīng)用過程中，由于疲勞積累、撞擊、腐蝕等物理化學(xué)因素影響，復(fù)合材料也容易產(chǎn)生脫膠、分層、基本龜裂、空隙增長、纖維斷裂、褶皺變形、腐蝕坑、劃傷、下陷、燒傷等缺陷，這些缺陷很大一部分還是產(chǎn)生在復(fù)合材料的內(nèi)部1。這些對產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性能影響極大，因此，對產(chǎn)品的檢測尤為重要。用于復(fù)合材料無損檢測的方法主要有超聲、射線、磁粉、滲透、渦流、激光全息及紅外無損檢測技術(shù)等，超聲波檢測法(ultrasonic)是廣

3、泛用于材料探傷的常用方法，也是最早用于復(fù)合材料無損評價的方法之一。它主要利用復(fù)合材料本身或其缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響來檢測材料內(nèi)部和表面的缺陷，如氣泡、分層、裂紋、脫粘、貧膠等2。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢驗速度快、成本低和對人體無害等優(yōu)點。因此，超聲無損檢測技術(shù)一直都是研究的熱點，本文將對復(fù)合材料的某些超聲波無損檢測方法做具體的介紹。2.復(fù)合材料及其無損檢測技術(shù)特點與傳統(tǒng)的金屬材料結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一種通過基體-增強(qiáng)物之間的物理結(jié)合和鋪層設(shè)計來達(dá)到預(yù)期性能的集材料工藝于一體的新型材料結(jié)構(gòu)。其最為顯著的優(yōu)點是材料和結(jié)構(gòu)的重量-性能比(即比性能)好、可設(shè)計性強(qiáng)、材料利用率

4、高和制造工序少(從材料制備到結(jié)構(gòu)成型，往往僅需要一兩個熱循環(huán)就能完成制造)。因此，一旦進(jìn)入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工序，其輸出結(jié)果就是結(jié)構(gòu)件，而且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，整體結(jié)構(gòu)越來越多，如飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身和壁板等。復(fù)合材料的無損檢測不能簡單沿用金屬材料檢測的思維慣性和方法，而必須根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特點，研究和采用復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)和方法。圖1 典型的復(fù)合材料界面3(1) 由于復(fù)合材料內(nèi)部各結(jié)構(gòu)元素(如纖維、樹脂和鋪層等)之間主要是通過物理界面相結(jié)合(圖1)，而且存在明顯的各向異性。大量的檢測結(jié)果和破壞分析表明，最容易產(chǎn)生缺陷的部位正是在復(fù)合材料內(nèi)部的物理界面。因此，界面缺陷的檢測是

5、復(fù)合材料無損檢測的重點。特別是對于復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，研究和掌握其結(jié)構(gòu)特點，對選擇和研究復(fù)合材料無損檢測技術(shù)具有正確性的指導(dǎo)意義。(2) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多為非厚度結(jié)構(gòu)，厚度約0.3-40 mm，因此，對復(fù)合材料的檢測必須結(jié)合具體的應(yīng)用對象。特別值得指出的是，復(fù)合材料不允許存在表面檢測盲區(qū)。對于復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，單個鋪層的厚度小至0.125 mm，而且通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在厚度方向不存在加工余量之說3。(3) 對復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，必須充分考慮內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)與所研究和選擇的檢測方法在檢測機(jī)理、缺陷信號成因上的有機(jī)聯(lián)系。例如，聲波在復(fù)合材料中的傳播特性的變化和缺陷識別方法就與復(fù)合材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)存在密切聯(lián)系3。

6、不能簡單地根據(jù)換能器接收到的物理信號的變化判別缺陷是否存在。例如，圖2是來自碳纖維層壓復(fù)合材料內(nèi)部的典型超聲回波信號，圖中f來自材料表面的聲波反射，b來自材料底面的聲波反射，d來自材料內(nèi)部的聲波反射。按照傳統(tǒng)的超聲檢測思維慣例，信號d應(yīng)是判別材料內(nèi)部缺陷的依據(jù)。但在復(fù)合材料超聲檢測中，信號d并不是來自缺陷的反射波，而是材料結(jié)構(gòu)變化引起的入射聲波反射。圖2 復(fù)合材料內(nèi)部典型超聲回波信號3(4) 缺陷特點與特征總是與材料、工藝和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此需要掌握這些特點，才能建立正確的復(fù)合材料判別方法。3.復(fù)合材料的超聲波檢測技術(shù)3.1 超聲波檢測簡介超聲波是指頻率20khz的聲波，其波長與材料內(nèi)部缺陷的

7、尺寸相匹配。根據(jù)超聲波在材料內(nèi)部缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的反射、衰減與共振的差異來確定缺陷的位置與大小。超聲波檢測主要分為脈沖反射法、穿透法和反射板法，根據(jù)不同的缺陷來選擇合適的檢測方法。超聲波不僅能檢測復(fù)合材料構(gòu)件中的分層、孔隙、裂紋和夾雜物等，而且在判斷材料的疏密、密度、纖維取向、曲屈、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀等方面的變化也有一定作用。對于一般小而薄、結(jié)構(gòu)簡單的平面層壓板及曲率不大的構(gòu)件，宜采用水浸式反射板法；對于小或稍厚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，無法采用水浸式反射板法時，可采用水浸或噴水脈沖反射法和接觸延遲塊脈沖反射法；對于大型結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)型的復(fù)合材料構(gòu)件的檢測宜采用噴水穿透法或噴水脈沖反射法。由于復(fù)

8、合材料組織結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，而且性能的離散性較大，因而，產(chǎn)生缺陷的機(jī)理復(fù)雜且變化多樣，再加上復(fù)合材料構(gòu)件的聲衰減大，由此引起的噪聲與缺陷反射信號的信噪比低，不易分辨，所以檢測時應(yīng)選合適的方法4。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢驗速度快、成本低和對人體無害等優(yōu)點。由于這些優(yōu)點超聲c掃描、rf超聲檢測、空氣耦合式超聲檢測等已成為飛行器零件等大型復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的檢測技術(shù)。3.2 超聲c掃描檢測技術(shù)超聲c掃描是通過采用計算機(jī)技術(shù)控制超聲波探頭的移動位置，控制超聲波探傷儀（或數(shù)據(jù)采集卡）經(jīng)探頭發(fā)射超聲波信號，并在超聲波信號經(jīng)過檢測工件后被自身（或別的）探頭接收超聲波探傷儀（或數(shù)據(jù)采集卡）

9、將獲得信號進(jìn)行處理，由計算機(jī)進(jìn)行檢測結(jié)果的顯示、記錄、存儲，在計算機(jī)顯示屏上顯示整個檢測區(qū)域的有無缺陷情況、缺陷大小和位置?，F(xiàn)以檢測平面構(gòu)件為例加以說明其成像原理。當(dāng)探頭在探測平面內(nèi)作x，y方向的掃描運動時，在計算機(jī)的顯示屏上有一個和零件表面相一致的直角坐標(biāo)。探頭在零件表面的位移和顯示屏上的光點的位移同步，光點的顏色對應(yīng)著接收探頭接收到的信號能量的大小，如果探頭所在位置下面如有缺陷，則對應(yīng)的信號能量將發(fā)生變化，于是在顯示屏上顯示一個不同顏色點5，成像原理如圖3所示。圖3 超聲c掃描成像原理超聲c掃描，由于顯示直觀、檢測速度快等優(yōu)點使其在大型復(fù)合材料構(gòu)件的無損傷檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。由波音民用

10、飛機(jī)集團(tuán)等單位組成的研究小組用超聲波研究復(fù)合材料機(jī)身層合板結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度和沖擊后的剩余強(qiáng)度，結(jié)果表明，超聲波不僅可檢測損傷，而且能確定損傷對復(fù)合材料構(gòu)件承載能力的影響。dows公司先進(jìn)的復(fù)合材料實驗室用超聲波確定了各種損傷參數(shù)(深度、形狀、面積、直徑以及分層頻率等)與有機(jī)纖維復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度的關(guān)系。為適應(yīng)復(fù)合材料制造過程的在線監(jiān)控，還研制了脈沖激光超聲波檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功用于復(fù)合材料固化過程的遠(yuǎn)離非接觸在線檢測監(jiān)控，包括溫度分布、固一液態(tài)界面、微觀結(jié)構(gòu)、再生相(疏松、夾雜物)以及粘流一粘滯特性的檢測6。3.3 rf超聲檢測3.3.1 rf超聲檢測的優(yōu)點rf超聲檢測技術(shù)具有高分辨率，可以有效

11、實現(xiàn)復(fù)合材料沖擊損傷、分層等缺陷的超聲掃描成像檢測和孔隙率數(shù)值評估，因此可以有效地實現(xiàn)復(fù)合材料的缺陷檢測。目前該項技術(shù)已在多個型號生產(chǎn)和新機(jī)研制中得到廣泛應(yīng)用。3.3.2 合材料rf超聲檢測方法纖維增強(qiáng)/樹脂基復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)可以被聲波視為厚度的層狀介質(zhì)，其中為第i個鋪層厚度，n為鋪層數(shù)。聲波在這種層狀介質(zhì)中的傳播特性及其變化與波長、鋪層聲學(xué)特性(如聲速)及其內(nèi)部均勻性密切相關(guān)，對于沿厚度方向傳播的入射聲波，當(dāng)>時層壓復(fù)合材料被聲波視為均勻介質(zhì)。當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量均勻(無缺陷)時，入射聲波將會在復(fù)合材料內(nèi)部均勻傳播，而不會形成明顯的層間反射7。入射聲波在缺陷周圍的反射與缺陷的性能(即聲阻

12、抗)有關(guān)，通?？梢岳寐晧悍瓷湎禂?shù)表征人射聲波的反射情況。若用和分別表示復(fù)合材料和缺陷區(qū)的聲阻抗，則聲波在缺陷界面的聲壓反射系數(shù)尺可表示為： (1)通常由于缺陷區(qū)(如分層)的聲阻抗比復(fù)合材料聲阻抗小得多，即>>，因此聲波中90以上的能量將會產(chǎn)生反射，形成缺陷反射回波。圖4 分層區(qū)rf超聲回波信號圖4是一典型的碳纖維增強(qiáng)/樹脂基復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中分層區(qū)的rf超聲回波信號，從圖4中可以清晰地看到來自試樣表面的聲波反射信號f和來自分層缺陷的聲波反射信號d，且f和d相位相反7。由于入射聲波傳播聲程s=tv，因此，通過測量回波信號f和d之間的時間t，可以確定損傷在復(fù)合材料厚度方向的深度： (

13、2)入射聲波在缺陷周圍形成的反射聲波的幅頻特性與缺陷的取向、姿態(tài)有關(guān)。當(dāng)入射聲波與缺陷取向表面的法向方向夾角較大時，即使入射聲波在缺陷界面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的反射，也難以接收強(qiáng)烈的反射回波信號。此外，入射聲波在缺陷周圍形成的聲波反射特性還將與缺陷尺寸和聲波波長有關(guān)，對于復(fù)合材料中的微氣孔，入射聲波在氣孔周圍的傳播主要表現(xiàn)為散射特性，而且氣孔越小，散射特性越明顯。通過分析表明聲波在碳纖維增強(qiáng)/樹脂基復(fù)合材料中傳播特性的變化，可以得到復(fù)合材料內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)信息，但不同的缺陷特征或不同性能的缺陷，對聲波反射特性的影響明顯不同。由于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)特征，通常單個鋪層的厚度可小至013mm7，因此必須設(shè)計采用合

14、理的脈沖超聲波檢測技術(shù)，以得到一個在時間和空間上可以分辨的聲波檢測信號，實現(xiàn)對復(fù)合材料缺陷的定性定量評估和檢測分析。3.4 空氣耦合式超聲檢測技術(shù)3.4.1 空氣耦合式超聲檢測技術(shù)進(jìn)展空氣耦合式超聲無損檢測技術(shù)的進(jìn)展得益于空氣耦合理論、新型換能器及信號處理技術(shù)的不斷進(jìn)展。盡管空氣耦合式超聲檢測技術(shù)壁壘不斷，但研究工作還是取得很多成果：dean d s系統(tǒng)評估了實際應(yīng)用環(huán)境中空氣耦合換能器的特點。lynnworth l c，kim b t研究開發(fā)的空氣耦合式固體絕緣換能器，推動了空氣耦合式超聲檢測技術(shù)的發(fā)展8。然而目前國內(nèi)對空氣耦合式超聲檢測技術(shù)研究很少，國外許多國家已經(jīng)將之應(yīng)用于各種材料研究中

15、。如比利時的e blomme和德國的rstoessel分別對幾種復(fù)合材料中(如布料上的涂層以及鋁板、鋼板和薄鑄件)的缺陷檢測，得到比較滿意的結(jié)果。美國qmi公司生產(chǎn)的空氣耦合式數(shù)字超聲波探傷儀，性能可與普通超聲波探傷儀相比。意大利空軍已將空氣耦合用于飛機(jī)復(fù)合材料檢測中。由于空氣耦合衰減過大，適用的頻率范圍最高只能在1mhz左右，而且作用距離短、帶寬窄，限制了其應(yīng)用范圍9。為了達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的目的，超聲的空氣耦合正向兩個方向發(fā)展，即研制適用于不同用環(huán)境的空氣耦合式超聲波換能器。研制適用于工業(yè)化的在線檢測系統(tǒng)。3.4.2 空氣耦合式超聲測基本原理及其理論在空氣耦合式超聲檢測中，由于空氣和待檢試樣(

16、固體材料)之間聲阻抗存在巨大差異，一般相差約5個數(shù)量級，因而2個界面間的聲能損失非常巨大，換能器最佳匹配層的聲阻抗率為: (3)式中：為固體換能器材料的聲阻抗率；為空氣的聲阻抗率。在室溫下，pzt壓電陶瓷的約為瑞利，空氣為瑞利，按照上式計算辨為瑞利8，如此低阻抗率的固體材料在自然界中難以尋覓，即使人工合成也有相當(dāng)難度。阻抗不匹配將引起強(qiáng)反射、強(qiáng)折射等效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致接收端信號信噪比大幅降低，嚴(yán)重影響后續(xù)處理系統(tǒng)對回波信號的處理。在空氣耦合式超聲檢測方式中，有反射式和穿透式2種檢測模式，分別如圖5(a)和圖5(b)所示。對于反射式超聲檢測，可采用單換能器或雙換能器，圖5(a)中為單換能器。(a)反

17、射式空氣耦合超聲檢測 (b)穿透式空氣耦合超聲檢測圖5 空氣耦合超聲檢測模式8超聲信號進(jìn)入待測試樣后，經(jīng)過受檢材料底部反射再次為接收換能器獲得，若待測試樣中包含缺陷，超聲信號部分能量將被缺陷反射，接收換能器能夠檢測到該反穿透式空氣耦合超聲傳播路徑如圖6所示。接收換能器獲得的信號強(qiáng)度取決于4個氣/固分界面的信號衰減程度，接收信號信噪比可用下式來描述 (4)式中：pa為有效發(fā)射功率；k為boltzman常數(shù)；t為絕對溫度(開氏溫標(biāo))；f為接收換能器帶寬；nf為噪聲因子(范圍110)，它是接收換能器電子輸入阻抗與放大器噪聲阻抗匹配的量度，利用射信號8。對于空氣耦合單換能器反射超聲檢測模式，信號經(jīng)過多

18、次分界面的反射、折射及空氣傳播衰減，返回的信號非常微弱，目前實現(xiàn)反射式空氣耦合方式還有很大的技術(shù)難度。對于穿透式檢測方式，收發(fā)換能器分別置于待檢試樣的兩側(cè)，若待測試樣中存在缺陷則缺陷的大小和形狀都將對傳播信號產(chǎn)生不同程度的反射和衰減，接收端根據(jù)信號的衰減程度判斷出內(nèi)部缺陷狀況。基于理論研究和工程應(yīng)用為背景，在此重點對穿透式空氣耦合超聲檢測技術(shù)展開研究。圖6 穿透式空氣耦合超聲傳播路徑電子阻抗匹配轉(zhuǎn)換器或自諧振換能器可以減少噪聲因子；d為發(fā)射系數(shù)；cl為發(fā)/收換能器的轉(zhuǎn)換損失；al為空氣吸收損耗；dl為折射損失；el為其他額外傳輸損失8。根據(jù)公式(4)現(xiàn)將制約回波信噪比提高的因數(shù)歸結(jié)為以下4個方面。氣/固分界面強(qiáng)反射影響。氣/固分界面強(qiáng)折射影響。空氣吸收影響。信號處理技術(shù)。之后再經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)處理與顯示，便可得到復(fù)合材料無損檢測的結(jié)果?？諝怦詈峡蛇M(jìn)行快速掃查，易實現(xiàn)波形的模式轉(zhuǎn)換，在大面積在線實時掃查、復(fù)合材料缺陷檢測、表面成像等方面有著良好的應(yīng)用前景。4. 結(jié) 論復(fù)合材料是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計應(yīng)用的重要材料，在飛機(jī)上用量達(dá)到52%，直升機(jī)