超聲檢測(cè)在復(fù)合材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀

朱學(xué)耕

（中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院，中國(guó) 北京 100072）

復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度、易加工成型、彈性良好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]，已廣泛的應(yīng)用在航空航天、汽車(chē)以及船舶關(guān)鍵零件的制造，其中在航空航天領(lǐng)域發(fā)展最快，在舊一代的戰(zhàn)斗機(jī)中復(fù)合材料已占使用材料總量的30%，在小型飛機(jī)中復(fù)合材料所占的比重能夠達(dá)到80%左右，甚至某些小型飛機(jī)已實(shí)現(xiàn)完全復(fù)合材料化[2]。復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的廣泛使用，使得對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)尤為重要，由于復(fù)合材料的造價(jià)較高，因此需要對(duì)其保持無(wú)損檢測(cè)，常用的無(wú)損檢測(cè)方法有上百種，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐，目前超聲檢測(cè)是對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)的最常用、最成熟的檢測(cè)方法。

1 超聲檢測(cè)原理

超聲檢測(cè)的發(fā)展已經(jīng)有一百年的歷史，在其應(yīng)用的案例中，主要是應(yīng)用反射法和透射法進(jìn)行檢測(cè)。反射法就是聲波在傳播的過(guò)程中遇到缺陷后聲波沿著相反的路徑返回，反射的聲波被晶片吸收，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)儀對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理最后形成缺陷信號(hào)；透射法一般是兩個(gè)探頭放在工件對(duì)稱的位置，一個(gè)探頭發(fā)射聲波，另一個(gè)探頭接收透射的聲波，根據(jù)接收聲波的回波聲壓判斷工件中是否有缺陷。

2 超聲檢測(cè)在復(fù)合材料中的應(yīng)用

對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，超聲檢測(cè)主要應(yīng)用于對(duì)服役構(gòu)件的在役檢測(cè)，以及對(duì)復(fù)合材料的性能無(wú)損表征，本文主要從這兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行綜述。

2.1 缺陷檢測(cè)

金屬零件內(nèi)的缺陷超聲檢測(cè)方法同樣的適用于復(fù)合材料中缺陷評(píng)價(jià)，對(duì)于其內(nèi)部的孔狀缺陷來(lái)說(shuō)目前主要是利用超聲C 掃描、相控陣超聲檢測(cè)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)等。

超聲C 掃描是超聲檢測(cè)的一種顯示方式，它是在A 信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到的一種垂直于缺陷的顯示結(jié)果，它具有顯示直觀，操作簡(jiǎn)便，可以對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)孔狀缺陷的顯示比較清晰。國(guó)內(nèi)有江蘇大學(xué)的魏勤利用超聲C 掃描對(duì)SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料試件進(jìn)行研究，研究表明利用該方法能夠清晰的檢測(cè)到材料中的孔狀缺陷，并且能夠?qū)Σ牧现械膱F(tuán)聚現(xiàn)象有一定的顯示[3]。浙江大學(xué)將機(jī)器人、反求工程、超聲信號(hào)處理技術(shù)與超聲C 掃描技術(shù)集為一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料檢測(cè)靈敏度實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，并且這一改進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)曲面構(gòu)件的實(shí)時(shí)檢測(cè)[4]。除此之外，浙江大學(xué)還將仿真檢測(cè)與實(shí)際檢測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲C 掃描一般過(guò)程的認(rèn)識(shí)，并且能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷。然而超聲C 檢測(cè)對(duì)于一些缺陷檢測(cè)精度要求更精確的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)還是顯得有一定的困難，而實(shí)際中對(duì)于一個(gè)工件的完全檢測(cè)也并不是一種超聲檢測(cè)方法能夠勝任的，通常對(duì)于一個(gè)工件的檢測(cè)常常應(yīng)用幾種超聲檢測(cè)方法，有時(shí)也會(huì)應(yīng)用其他的無(wú)損檢測(cè)手段，比如紅外熱成像檢測(cè)方法。

相控陣超聲檢測(cè)是超聲檢測(cè)中比較先進(jìn)的一種檢測(cè)手段，近年來(lái)，以其偏轉(zhuǎn)、聚焦的優(yōu)勢(shì)而廣泛的應(yīng)用在常規(guī)超聲檢測(cè)不能夠完成的復(fù)雜構(gòu)件中，而且針對(duì)超聲相控陣檢測(cè)還設(shè)計(jì)了專用的仿真檢測(cè)軟件，能夠在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案方面節(jié)省很大的費(fèi)用，并且能夠更加的清楚聲波的傳播以及與缺陷的相互作用，使檢測(cè)更加的直觀。GE 科技有限公司利用相控陣超聲檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了航空件中的T 型復(fù)合材料以及飛機(jī)蒙皮粘接層的檢測(cè)，利用相控超聲探傷儀對(duì)它們的內(nèi)部缺陷成像[5]，并通過(guò)B 掃描或者S 掃描增加了缺陷的掃查范圍，提高了檢測(cè)效率，和缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確性，并節(jié)省了檢測(cè)成本。中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司，利用該技術(shù)對(duì)復(fù)合材料樣板的無(wú)缺陷區(qū)域、有缺陷區(qū)域以及修復(fù)區(qū)域進(jìn)行成像，通過(guò)對(duì)比能夠清晰的看出缺陷的分布，證實(shí)了超聲相控檢測(cè)在復(fù)合材料中具有良好的應(yīng)用[6]。

2.2 性能評(píng)價(jià)

超聲波能夠?qū)饘倭慵挠捕取椥阅Ａ?、衰減性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用相同的方法超聲波可以對(duì)復(fù)合材料的這些性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且能夠?qū)ζ淇紫堵蔬M(jìn)行測(cè)量。對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)孔隙率是其重要的一個(gè)性能參數(shù)，孔隙率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部疏松，直接導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。因此對(duì)孔隙率的檢測(cè)顯得十分重要。

對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)常用的孔隙率測(cè)定方法主要有超聲聲速法、超聲衰減法、微波法等，然而每一種方法并不是直接的給出孔隙率的大小，而是間接的獲得對(duì)應(yīng)的相互關(guān)系。在上述的三種方法中應(yīng)用最多的是超聲衰減法，它主要是利用頻率的變化曲線斜率與超聲孔隙百分率之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)而評(píng)價(jià)復(fù)合材料的孔隙率，除此之外也可以根據(jù)超聲波透過(guò)復(fù)合材料后的衰減量的大小，計(jì)算孔隙率與聲束面積之比。對(duì)于復(fù)合材料孔隙率的測(cè)量，北京航空材料研究院利用超聲C 掃描對(duì)材料中的孔隙率進(jìn)行研究[7]，研究表明：在復(fù)合材料中，孔隙率的大小與其材料的聲波衰減性有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)為聲波的衰減與孔隙率呈現(xiàn)線性關(guān)系，即孔隙率增大，衰減性增大；孔隙率降低，衰減性降低。除此之外，孔隙率的大小和材料的力學(xué)性能也有一定的關(guān)系，通過(guò)對(duì)孔隙率大小、聲波衰減性的測(cè)定，可以將三者相聯(lián)系，進(jìn)而得到一定條件下材料力學(xué)性能、超聲衰減性能、材料孔隙率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而完成對(duì)材料的力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。

3 超聲檢測(cè)在復(fù)合材料中應(yīng)用的難點(diǎn)

超聲檢測(cè)對(duì)于結(jié)構(gòu)比較規(guī)則的構(gòu)件來(lái)說(shuō)應(yīng)用比較方便，當(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，超聲波的應(yīng)用將受到一定的限制，主要原因是復(fù)雜的幾何形狀會(huì)使探頭無(wú)法接收到反射聲波的能量，從而無(wú)法對(duì)材料的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 發(fā)展與展望

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)量要求將越來(lái)越高，如何快速的對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)是值得大家思考的一個(gè)問(wèn)題，因此未來(lái)超聲檢測(cè)將面向快速檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)的方向發(fā)展，同時(shí)超聲探傷將會(huì)從對(duì)材料的質(zhì)量檢測(cè)像對(duì)材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)的方向發(fā)展。

［1］邱曉丹.綠色復(fù)合材料制備及其在聲學(xué)儀器領(lǐng)域的應(yīng)用[D].東華大學(xué)，2014.

［2］沈真.碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2010，35：1-4.

［3］魏勤，張迎元，樂(lè)永康，等.超聲C 掃描成像系統(tǒng)在SiC_p/Al 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2003，18：38-41.

［4］王艷穎，吳瑞明，周曉軍，等.大型非對(duì)稱復(fù)合材料構(gòu)件超聲C 掃描技術(shù)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004，38：1208-1211.

［5］羅云林，耿智軍.基于超聲相控陣的飛機(jī)蒙皮檢測(cè)技術(shù)研究[J].測(cè)控技術(shù)，2014，33：131-134.

［6］李懷富，李業(yè)書(shū)，呂貴平，等.超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用[C]//第十八屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2010.

［7］何方成，史亦韋.樹(shù)脂基復(fù)合材料孔隙率超聲表征技術(shù)研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，2006，26(3)：355-356.