復(fù)合材料層板鋪層方式對(duì)超聲檢測結(jié)果的影響

王 錚，何方成，梁 菁，康麗紅

（北京航空材料研究院，北京 100095）

復(fù)合材料層板中纖維鋪層方式對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度和疲勞行為等力學(xué)性能影響較大，采用不同的鋪層方式可以得到不同性能的復(fù)合材料［1－4］。超聲無損檢測是使用超聲波方法在不損壞制件的情況下對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。在復(fù)合材料的超聲檢測中，帶有人工缺陷的對(duì)比樣件必不可少，其作用一方面是用來驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度，另一方面，是通過被檢件的檢測情況與已知內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比樣件的檢測情況的對(duì)比分析，來判斷被檢件中是否存在影響使用的缺陷。因此，對(duì)比樣件在超聲檢測過程中及檢測結(jié)果的評(píng)定中均扮演了重要角色。有研究表明［5－10］，制件中纖維的鋪設(shè)方向不同時(shí)，材料將具有各向異性現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行超聲檢測時(shí)，聲波會(huì)在纖維鋪設(shè)方向不同的界面間產(chǎn)生一定程度的反射，從而造成聲波的衰減。另外，不同纖維鋪設(shè)方向的鋪層中樹脂含量可能不同，導(dǎo)致鋪層的密度和聲速發(fā)生變化［11－17］，從而造成聲波在不同方向鋪層間聲阻抗的差異。當(dāng)對(duì)比試樣與被檢件的鋪層方式不同時(shí)，材料超聲檢測特性的變化可能會(huì)對(duì)檢測能力和檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。而如果對(duì)每種鋪層方式的層板分別制作對(duì)比樣件，則檢測用對(duì)比樣件的數(shù)量將會(huì)成倍增加，給對(duì)比樣件的制作和制件的檢測都帶來很大不便，檢測成本也隨之增高。因此，研究復(fù)合材料層板的鋪層方式對(duì)超聲檢測結(jié)果的影響，進(jìn)而指導(dǎo)不同鋪層方式復(fù)合材料層板檢測用對(duì)比樣件的制作，意義十分顯著。

本工作將對(duì)相同工藝、相同材料體系下，不同鋪層方式的復(fù)合材料層板開展超聲檢測實(shí)驗(yàn)研究，分析鋪層方式對(duì)超聲檢測靈敏度、表面分辨率和缺陷可檢性等方面的影響，研究結(jié)果將對(duì)不同鋪層方式的復(fù)合材料層板超聲檢測用對(duì)比試樣的制作方法具有指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用T700／6421材料，經(jīng)RTM工藝制作不同鋪層方式的檢測試樣，試樣鋪層方式及具體參數(shù)如表1所示。1＃試樣與2＃試樣的鋪層層數(shù)相同，鋪層方式不同，3＃試樣與4＃試樣的鋪層層數(shù)相同，鋪層方式不同。不同纖維鋪層方式示意圖如圖1所示，試樣中放置人工缺陷，人工缺陷采用兩層厚度為0.05mm的聚四氟乙烯薄膜制作，尺寸為φ12mm，依次放置在相鄰兩鋪層間。

表1 不同鋪層方式試樣參數(shù)Table 1 Parameter of the samples with different laying－up direction

圖1 復(fù)合材料層板不同鋪層方式示意圖 （a）同向鋪層方式；（b）交叉鋪層方式Fig.1 The sketch map of the layer orientation of the composite laminates（a）layer direction is constant；（b）layer direction is different

對(duì)上述試樣采用接觸式脈沖反射法進(jìn)行超聲檢測實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用儀器為380M型超聲波探傷儀，檢測用探頭參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)將對(duì)表1中試樣的材質(zhì)衰減、表面檢測分辨率、缺陷可檢性、缺陷評(píng)定結(jié)果及聲波傳播聲速進(jìn)行測量。

表2 檢測用探頭參數(shù)Table 2 Parameter of the probe used in the experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 材質(zhì)衰減比較實(shí)驗(yàn)

對(duì)多鋪層復(fù)合材料層板進(jìn)行脈沖反射法超聲檢測，聲波入射到材料中后，在鋪層與鋪層間的界面上產(chǎn)生聲波的反射（R）與透射（T），如圖2所示。鋪層間界面上聲波的反射造成了入射波能量的衰減，透射的聲波繼續(xù)傳播，最終經(jīng)試樣底面與空氣界面的反射被探頭接收，形成探傷儀顯示屏上的底面反射回波，材料中鋪層間界面的反射回波與材質(zhì)的反射回波形成了顯示屏上的草狀雜波，如圖3所示。反射回波在顯示屏上的幅度與波的強(qiáng)度成正比，因此，試樣的底面反射回波幅度代表了材質(zhì)的衰減程度。

圖2 聲波在多鋪層層板間傳播路徑及顯示波形 （a）聲束傳播路徑；（b）A掃描波形Fig.2 The path of sound wave transmitting in the laminate with different fiber orientation and A－scan waveform（a）the path of sound wave transmitting；（b）A－scan waveform

界面上聲波的反射與透射強(qiáng)度與界面兩側(cè)材質(zhì)有關(guān)，聲強(qiáng)反射率與聲強(qiáng)透射率可以用公式（1）和公式（2）來表示：

式中：Ir為反射波聲強(qiáng)；I0為入射波聲強(qiáng)；It為透射波聲強(qiáng)；Z1為第一種介質(zhì)聲阻抗；Z2為第二中介質(zhì)聲阻抗。

根據(jù)能量守恒定律，Ir＋I(xiàn)t＝I0，反射聲波與透射聲波能量的總和等于入射聲波的能量，因此聲波在鋪層間界面上被反射的聲波能量越多，透過的聲波能量越小。

使用表2中的三種探頭，分別對(duì)1＃～4＃試樣進(jìn)行接觸式脈沖反射法檢測，底面回波幅度如圖3所示。

底面回波幅度越高，表示底面反射聲強(qiáng)越強(qiáng)，材質(zhì)衰減越弱。由圖3數(shù)據(jù)可以看到，鋪層層數(shù)相同時(shí)，單向鋪層的試樣底面回波幅度較多向鋪層的試樣底面回波幅度高，材質(zhì)衰減小。鋪層方式相同時(shí)（2＃試樣與4＃試樣比較），材質(zhì)衰減隨鋪層數(shù)目增加而增大。

圖3 不同探頭檢測各試樣底面回波幅度比較Fig.3 The compare of the back reflection wave amplitude of the different samples tested by different transducers

不同纖維鋪層方式復(fù)合材料層板的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。在相鄰兩鋪層間存在膠接界面，根據(jù)式（1）和式（2），透射聲波和反射聲波的能量主要受界面兩側(cè)材質(zhì)聲阻抗的影響。當(dāng)鋪層方向相同時(shí)，相鄰兩鋪層纖維間各向異性差異小，導(dǎo)致聲阻抗差異小，反射聲波的能量相對(duì)較弱，透射聲波的能量相對(duì)較強(qiáng)，因此，最終返回探頭的聲波能量相對(duì)較強(qiáng)；當(dāng)鋪層方向不同時(shí)，則反之。本工作列舉的是單向鋪層與多向鋪層兩種極限情況下，聲波在層板中的衰減情況，根據(jù)上面分析的層板中聲波衰減原因延伸開來，在同為多向鋪層但鋪層方式不同的層板間，也會(huì)因?yàn)殇亴咏缑鎯蓚?cè)纖維鋪層方向不同而引起界面的聲強(qiáng)反射率和透射率不同，最終導(dǎo)致層板整體的材質(zhì)衰減不同。

圖4 不同鋪層方式層板內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu) （a）同向鋪層方式；（b）交叉鋪層方式Fig.4 The microstructure of the composite laminate（a）layer direction is constant；（b）layer direction is different

由圖3數(shù)據(jù)還可以看到，相同厚度、不同鋪層方式的試樣雖然材質(zhì)衰減不同，但差異并不是很大，如1＃與2＃層板，鋪層厚度均為31層，5MHz探頭檢測，產(chǎn)生的底面回波幅度差異為2～3dB。這是因?yàn)檫@兩塊試樣除鋪層方式不同外，采用的材料體系和制作工藝是相同的，界面兩側(cè)不同鋪層方向材料的聲阻抗差異和材料總體聲阻抗差異不大。因此，相同厚度、相同材料體系下，不同鋪層方式的層板材質(zhì)衰減雖然由于鋪層方向不同而存在差異，但差異不是很大。

2.2 表面分辨率比較

采用表2中探頭對(duì)上述不同鋪層方式的試樣采用接觸式脈沖反射法超聲檢測，表面分辨率基本相同，上表面可以分辨到第三層與第四層間缺陷，下表面可以分辨出底面第一層和底面第二層間的缺陷。不同鋪層方式下典型層間缺陷檢測波形如圖5所示。

圖5 不同鋪層方式下上下表面可檢測缺陷波形（a）～（d）同向鋪層試樣中的檢測波形；（e）～（h）交叉鋪層試樣中的檢測波形Fig.5 The waveforms of the defects put in the different depth in two samples with different laying－up direction（a）－（d）scan waveforms in the sample with constant laying－up direction；（e）－（h）scan waveforms in the sample with different laying－up direction

超聲檢測上下表面分辨率分別受始脈沖寬度和底面回波寬度影響，一般來說，始波寬度跟探頭與儀器的匹配和檢測靈敏度有關(guān)，底面回波寬度與探頭頻率和檢測靈敏度有關(guān)。檢測靈敏度是根據(jù)被檢測材料中要求檢測的最小缺陷調(diào)節(jié)的，復(fù)合材料要求檢測的最小缺陷相對(duì)較大，使用的檢測靈敏度不會(huì)很高，當(dāng)要求檢測的缺陷大小相同時(shí)，不同鋪層方式的層板檢測靈敏度主要受材質(zhì)影響。根據(jù)上節(jié)分析，不同鋪層方式下層板的材質(zhì)衰減不同，但衰減程度相差不多，故引起的檢測靈敏度差異對(duì)表面分辨率產(chǎn)生的影響不大。因此，可以認(rèn)為復(fù)合材料檢測上下表面分辨率主要受儀器與探頭的匹配性能和探頭頻率影響，受鋪層方式影響較小。

2.3 缺陷可檢性及評(píng)定

各鋪層試樣中預(yù)埋的人工缺陷，除位于上表面盲區(qū)中的不能分辨外，其余均有較清晰的顯示，如圖5所示。采用6dB法對(duì)各缺陷大小進(jìn)行評(píng)定［18］，各缺陷尺寸均在12mm±1mm范圍內(nèi)，鋪層方式對(duì)缺陷大小的評(píng)定沒有明顯影響。

2.4 聲速測量分析

對(duì)1＃試樣和2＃試樣中不同鋪層間人工缺陷的埋深進(jìn)行測量，圖6為兩試樣測量結(jié)果。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，1＃試樣中不同鋪層間人工缺陷埋深除個(gè)別點(diǎn)與2＃試樣中對(duì)應(yīng)鋪層間人工缺陷埋深相同外，其余均比2＃試樣中對(duì)應(yīng)鋪層間人工缺陷埋深小。由示波器上測量的缺陷深度是由式（3）計(jì)算得到：

式中：h為示波器上顯示的信號(hào)埋深；c為檢測時(shí)超聲檢測儀上設(shè)置的聲波傳播速率；t為聲波在材料中傳播的時(shí)間；h′為聲波傳播的實(shí)際聲程；c′為聲波在該種材料中的傳播速率。

圖6 不同鋪層方式試樣中對(duì)應(yīng)層間人工缺陷埋深比較Fig.6 The contrast of the defect depth between the two samples with different laying－up direction

超聲檢測時(shí)，儀器的聲速設(shè)置為一固定值，此時(shí)測量的缺陷信號(hào)埋深與該缺陷反射回波在材料中的傳播時(shí)間成正比，那么對(duì)于相同層間的缺陷，測量埋深越大，說明聲波在這種材料傳播的時(shí)間越長，也就是聲波的實(shí)際傳播速率越小。因此，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到：聲波在1＃試樣中傳播的速率較2＃試樣中傳播的速率大。經(jīng)聲速測量，1＃試樣聲速為2860m／s，2＃試樣中聲速為2680m／s，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符。

1＃試樣與2＃試樣對(duì)應(yīng)鋪層間缺陷的測量深度，在缺陷埋深較淺的3～8層間，兩試樣中人工缺陷的測量深度差值較大，最大可達(dá)0.6mm，這是因?yàn)槿毕萋裆钶^淺時(shí)，缺陷雖能與始脈沖分辨開來，但缺陷信號(hào)的脈沖上升沿仍在一定程度上與始脈沖的下降沿重合，不能清晰準(zhǔn)確得到缺陷信號(hào)上升沿的位置，給缺陷深度測量帶來較大誤差。其他深度的缺陷，測量差值的變化趨勢是隨缺陷埋深增大而增大。其中10～20層之間，1＃和2＃試樣中缺陷埋深差別較小，最大差值為0.236mm，20層以后，二者埋深差別變大，最大差值達(dá)到0.472mm。這是因?yàn)?，相同鋪層間缺陷深度測量差值可由式（4）計(jì)算得到：

式中：Δh為示波器上顯示的信號(hào)埋深差值；c1為聲波在1＃試樣中傳播的聲速；c2為聲波在2＃試樣中傳播的聲速。

式（4）中，c，c1，c2均為常數(shù)，則示波器上顯示的信號(hào)埋深差值Δh隨聲波傳播的實(shí)際聲程h′的增加而增加。另外，儀器讀數(shù)誤差、材料聲速的不均勻性等都會(huì)引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量誤差，造成兩試樣中對(duì)應(yīng)缺陷深度的測量數(shù)據(jù)存在一定波動(dòng)性。

通過上述分析可見，鋪層方式不同，聲波在材料中傳播的聲速存在一定差異，檢測時(shí)，如使用的對(duì)比試樣與被檢件鋪層方式不同，在進(jìn)行缺陷埋深評(píng)定時(shí)，應(yīng)注意聲速引起的誤差。

3 結(jié)論

（1）層板鋪層方式影響材料衰減，表現(xiàn)為鋪層層數(shù)相同、鋪層方式不同層板的底面回波幅度不同，檢測時(shí)，尤其是采用底波衰減方法測量孔隙率含量時(shí)，如使用的對(duì)比試塊鋪層方式與被檢件不同，應(yīng)注意對(duì)底波衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）鋪層方式相同，鋪層數(shù)目不同的層板，底面回波衰減隨鋪層數(shù)增加而增加，檢測時(shí)，使用的對(duì)比試塊與被檢件鋪層方式相同、鋪層層數(shù)不同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行衰減補(bǔ)償。

（3）鋪層方式對(duì)超聲檢測上下表面分辨率沒有明顯影響，檢測表面分辨率主要受儀器與探頭的匹配性能和探頭頻率影響較大。

（4）鋪層方式對(duì)缺陷的可檢性及大小評(píng)定結(jié)果沒有明顯影響。

（5）鋪層方式影響聲波在材料中的傳播速率，檢測時(shí)，如使用的對(duì)比試樣與被檢件鋪層方式不同，在進(jìn)行缺陷埋深評(píng)定時(shí)，應(yīng)注意聲速引起的誤差。

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