CFRP復(fù)合材料層板沖擊損傷的空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)

高雙勝，陸 春，薛繼佳，杜 量，剛 鐵

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)(2．沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110136)(3．遼寧通用航空研究院，沈陽(yáng) 110136)

CFRP復(fù)合材料層板沖擊損傷的空氣耦合超聲無(wú)損檢測(cè)

高雙勝1,2,3，陸 春2，薛繼佳3，杜 量3，剛 鐵1

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)(2．沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，沈陽(yáng) 110136)(3．遼寧通用航空研究院，沈陽(yáng) 110136)

為了研究沖擊能量對(duì)2 mm厚CFRP層壓板沖擊損傷的影響規(guī)律，分別采用2、5、8J 3種能量進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，通過(guò)目視、空氣耦合超聲C掃描、金相顯微鏡等對(duì)CFRP層壓板試樣的沖擊損傷進(jìn)行觀察檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：沖擊能量為2J時(shí)表面無(wú)目視可見(jiàn)的損傷，當(dāng)能量增加至5J、8J時(shí)沖擊面可見(jiàn)凹坑，背面可見(jiàn)沿0°方向的開(kāi)裂。沖擊能量在2～8J范圍內(nèi)，隨著沖擊能量的增加，層壓板的損傷面積增大。低能量沖擊會(huì)在層壓板內(nèi)部造成纖維斷裂和分層損傷，在能量較低時(shí)損傷的投影形狀近似呈圓形，在能量較高時(shí)近似呈菱形。

復(fù)合材料層壓板；碳纖維復(fù)合材料；沖擊損傷；空氣耦合超聲；無(wú)損檢測(cè)

1 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer CFRP)層壓板具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。層壓板的層間力學(xué)性能遠(yuǎn)低于層平面，在裝配、維修過(guò)程中工具的跌落沖擊，或服役過(guò)程中砂石、冰雹的撞擊等，都可能導(dǎo)致層壓板內(nèi)部產(chǎn)生分層損傷[2]。分層損傷是復(fù)合材料層壓板最嚴(yán)重的損傷形式，在斷裂或損壞之前幾乎沒(méi)有什么先兆，具有突然性，對(duì)結(jié)構(gòu)造成致命威脅，因此可靠地檢測(cè)出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷，保證飛行器的安全，具有十分重要的意義[3]。通常沖擊試驗(yàn)參考美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)內(nèi)航空標(biāo)準(zhǔn)，采用半球形沖頭，而實(shí)際沖擊物的形狀多種多樣，本試驗(yàn)在ASTM標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上將沖頭前端銑平，模擬前端帶有平面的物體沖擊狀況。

沖擊損傷的檢測(cè)方法主要有超聲波、敲擊、紅外等方法[4]，從成像質(zhì)量和可靠性來(lái)看，超聲檢測(cè)相對(duì)較優(yōu)，特別是近年來(lái)研發(fā)出來(lái)的空氣耦合(簡(jiǎn)稱(chēng)空耦合)超聲檢測(cè)技術(shù)，具有非接觸、無(wú)污染、效率高等優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)已成為無(wú)損檢測(cè)的研究熱點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)的研究工作開(kāi)展相對(duì)較少[5]。本文利用自行搭建的空耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料層壓板的沖擊損傷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行破壞驗(yàn)證，結(jié)果表明，檢測(cè)可靠性較高。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

T300/BMP316纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料是一種應(yīng)用前景較好的航空、航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，該材料抗拉強(qiáng)度高，但抗沖擊性差，因此選擇這種典型的航空材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。材料的鋪層參數(shù)為，[45/-45/90/0/-45/0/45/0/90/0]S。

2.2 沖擊試驗(yàn)

由于自由落體沖擊可以較好地再現(xiàn)諸如維修工具墜落、設(shè)備撞擊等低速?zèng)_擊，故本文采用自由落體沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料層壓板進(jìn)行沖擊損傷預(yù)制。試驗(yàn)參照ASTMD 7136《纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料落錘沖擊損傷阻抗測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行，層壓板試樣尺寸為255 mm×55 mm×2.0 mm。沖擊試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為Instron CEAST9300落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，沖頭為端部銑平(圓平面直徑6.25 mm)的鋼制半球形(直徑為12.7 mm)沖頭，沖頭質(zhì)量為2.0 kg。通過(guò)夾具將層壓板試樣進(jìn)行四邊簡(jiǎn)支并固定，沖擊點(diǎn)位于層壓板中心，在室溫環(huán)境下對(duì)CFRP層壓板試樣分別采用2、5、8J 3種能量進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2.3 檢測(cè)試驗(yàn)

C掃描成像是超聲無(wú)損檢測(cè)中發(fā)展較早,并且廣泛應(yīng)用的成像技術(shù)。常采用噴水穿透法進(jìn)行檢測(cè)，以柵格掃描方式對(duì)垂直于聲束方向的被測(cè)試樣進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，記錄每一點(diǎn)的超聲波信號(hào)，并且對(duì)其渡越時(shí)間信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，運(yùn)用現(xiàn)代信號(hào)和圖像處理技術(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀地顯示含有缺陷形狀、位置及大小等信息的灰度或偽彩色圖像，從而達(dá)到評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的[6]。通常水流的穩(wěn)定性對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，若采用空氣作為耦合介質(zhì)則可極大地提高成像質(zhì)量，但空氣對(duì)超聲波衰減比水嚴(yán)重，因此需要從設(shè)備和探頭兩方面入手提高信號(hào)強(qiáng)度，這是空氣超聲檢測(cè)儀器的難點(diǎn)，也是制約其發(fā)展的瓶頸。本文利用自行搭建的空耦合超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，采用一發(fā)一收2個(gè)探頭置于層壓板兩側(cè)，垂直于層壓板入射超聲波方式檢測(cè)。探頭頻率為200 kHz，晶片直徑25 mm?？振詈铣暡ㄔ诎宓倪吘墪?huì)發(fā)生泄漏，即超聲繞過(guò)板邊緣，這可能造成誤判，因此在板的邊緣需進(jìn)行遮擋。

3 結(jié)果和討論

3.1 沖擊損傷分析

對(duì)受到不同能量沖擊作用的CFRP層壓板的損傷狀況進(jìn)行目視觀察，當(dāng)沖擊能量為2J時(shí)，試樣沖擊部位兩側(cè)均無(wú)明顯的沖擊痕跡。當(dāng)沖擊能量為5J時(shí)，CFRP層壓板沖擊試樣正面能夠觀測(cè)到較淺的凹坑，試樣沖擊部位背面沿0°方向開(kāi)裂，輕微向外凸起。當(dāng)沖擊能量為8J時(shí)，試樣兩側(cè)損傷程度隨之增加，試樣正面沖擊凹坑深度和面積增加，試樣背面沖擊部位基體裂紋長(zhǎng)度也增加，開(kāi)裂方向仍為0°方向。

3.2 沖擊損傷的超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果分析

如圖1所示當(dāng)超聲波穿過(guò)試樣內(nèi)無(wú)損傷部位時(shí)，接收探頭收到的信號(hào)較強(qiáng)，而穿過(guò)沖擊損傷部位時(shí)，超聲波信號(hào)大部分甚至全部被反射，另一側(cè)的接收探頭只能接收到部分信號(hào)，當(dāng)損傷面積較大時(shí)接收探頭將接收不到信號(hào)，根據(jù)接收探頭得到的超聲信號(hào)能量即可判斷損傷狀況。

圖1 超聲信號(hào)發(fā)射、接收示意圖

圖2為不同沖擊能量下試樣的空耦合超聲C掃描檢測(cè)圖像，圖中顏色標(biāo)尺表示探頭接收到的超聲波能量即信號(hào)的幅值，滿屏為100%。顏色越深，超聲信號(hào)越強(qiáng)，說(shuō)明試樣該部位的質(zhì)量是完好的，相反顏色越淺，意味著超聲信號(hào)越弱，對(duì)應(yīng)部位存在沖擊損傷。

對(duì)比圖2中不同沖擊能量試樣檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著沖擊能量的增加，沖擊損傷面積變大，如圖3所示，在試驗(yàn)所加能量范圍內(nèi)沖擊能量與損傷面積近似呈線性增加趨勢(shì)。另外隨著沖擊能量的增加，損傷的形狀也隨之發(fā)生變化，當(dāng)能量較低時(shí)(2J、5J)，損傷近似呈圓形，而當(dāng)能量較大時(shí)(8J)損傷近似呈菱形。

圖2 沖擊損傷的超聲C掃描檢測(cè)圖像(a)2J(b)5J(c)8J

圖3 損傷面積與沖擊能量關(guān)系

3.3 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)沖擊能量為5J的試樣通過(guò)沖擊點(diǎn)沿試樣寬度方向進(jìn)行剖切，制作金相試樣，在顯微鏡下觀察斷面的損傷情況。如圖4所示試樣上表面開(kāi)裂，基體產(chǎn)生了分層并開(kāi)裂。

圖4 沖擊損傷部位斷面形貌

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)于2mm厚CFRP復(fù)合材料層壓板，沖擊能量為2J時(shí)表面無(wú)目視可見(jiàn)的損傷，當(dāng)能量增加至5J、8J時(shí)沖擊面可見(jiàn)凹坑，背面可見(jiàn)沿0°方向的開(kāi)裂。

(2)沖擊能量在2～8J范圍內(nèi)，隨著沖擊能量的增加，層壓板的損傷面積增大。

(3)低能量沖擊會(huì)在層壓板內(nèi)部造成纖維斷裂和分層損傷，在能量較低時(shí)損傷的投影形狀近似呈圓形，在能量較高時(shí)近似呈菱形。

[1] 屈天驕, 鄭錫濤, 范獻(xiàn)銀, 等. 復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊損傷影響因素分析[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2011, 31(6): 81-86.

[2] 鄧立偉, 陳新文, 王海鵬, 等. 復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊后的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 纖維復(fù)合材料, 2013，30(3):17-20.

[3] 尹俊杰, 常飛, 李曙林, 等. 損傷位置對(duì)復(fù)合材料加筋壁板剪切承載能力的影響[J]. 機(jī)械工程材料, 2013, 37(7): 68-71.

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Nondestructive Testing of Impact Damage in CFRP Laminates by Air-Coupled Ultrasound

GAO Shuangsheng1,2,3, LU Chun2, XUE Jijia3, DU Liang3, GANG Tie2

(1.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)(2. Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136)(3．Liaoning General Aviation Academy，Shenyang 110136)

In order to study the effect of impact energy to the impact damage of 2mm thick CFRP laminates, impact tests were taken with energy levels of 2、5 and 8J respectively. The impact damage was evaluated by air-coupled ultrasound non-destructive testing, metallurgical microscope and visual inspections. The results show that there are no visible surface damages when impact energy is 2J, there are dents on impact surface and cracks along the direction of 0°on the back of the impact surface when impact energy gain to 5J and 8J.The damage area of laminates is increased with the increasing impact energy with in 2～8J. Low energy impact will cause fiber breakage and delimitation damage inside the laminates. The projection of the damage approximates to a circular when the energy is low, and approximates to a diamond when the energy is high.

composite laminates; CFRP; impact damage; air coupled ultrasound; nondestructive testing

王榮超(1990-)，女，河北人，碩士。研究方向:聚合物基復(fù)合材料。E-mail:1033842970@qq.com.

陳平(1964-)，男，長(zhǎng)春人，教授。研究方向:先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料。E-mail:chenping_898@126.com.

先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題研究基金資助(AWJ-M13-05)

2015-08-17)