碳纖維增強樹脂基復合材料渦流檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

杜飛 焦少妮 曾志偉

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

碳纖維增強樹脂基復合材料渦流檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

杜飛 焦少妮 曾志偉

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）以其優(yōu)越的性能得到越來越多的關注和應用。然而CFRP在制造和使用過程中經常會出現(xiàn)一些損傷，如分層、脫粘和纖維斷裂等，因此CFRP的無損檢測對于保證材料結構完整性具有極其重要的意義。本文介紹國內外CFRP渦流檢測的研究現(xiàn)狀，并就CFRP渦流檢測的發(fā)展方向提出一些看法。

碳纖維增強樹脂基復合材料 損傷 渦流檢測 數(shù)值模擬

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）以其優(yōu)越的性能得到越來越多的關注和應用，應用領域也在不斷擴展。然而CFRP在制造和使用過程中，由于多種原因，經常會出現(xiàn)一些損傷，如分層、脫粘、孔隙、纖維斷裂、彎曲等。與金屬材料不同，CFRP在斷裂或者損壞之前幾乎沒有什么先兆，其破壞具有突然性，并往往對結構造成致命威脅，直至造成重大安全事故，因而對CFRP的在役無損檢測具有極其重要的意義。由于CFRP是各向異性材料，其無損檢測與傳統(tǒng)金屬材料相比難度更大。

目前應用較多的CFRP檢測方法有紅外檢測、X射線檢測以及超聲檢測等。這些檢測技術都取得了一定的效果。因為CFRP本身具有一定的導電能力，理論上可以用渦流檢測技術進行檢測。此外，與其他檢測技術相比，渦流檢測技術在某些方面具有一定的優(yōu)勢。例如，用渦流探傷法探測表面裂紋可靠性高；檢測時一般不需清除零件表面的油脂、積碳和保護層；多數(shù)情況下可在不分解被測工件的前提下，在外場對工件進行原位探傷［1］。本文介紹國內外CFRP渦流檢測的研究現(xiàn)狀，并就CFRP渦流檢測的發(fā)展方向提出一些看法。

1 CFRP簡介

碳纖維是主要由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維是一種新型非金屬材料，是發(fā)展最迅速，應用范圍最廣的纖維材料，可滿足多個領域的要求。碳纖維和它的復合材料具有密度低、耐化學腐蝕、耐摩擦、抗輻射、減震、降噪等一系列的優(yōu)異性能，而且作為纖維它還有柔軟性和可編、可紡織性，特別突出的是它擁有高比強度和高比模量兩大特性。CFRP是八十年代后期發(fā)展起來并備受重視的一類結構材料。隨著制備技術的不斷進步，其發(fā)展十分迅速，被廣泛運用在航空航天、艦船、核工業(yè)、兵器工業(yè)、汽車工業(yè)、民用建筑、電力電子等領域［2］。

CFRP由不同纖維方向的單層材料層壓或編織而成，每層的厚度介于0.05～0.25mm之間。單層材料由碳纖維和不具備導電性的基體材料融合而成。CFRP具有導電性，并且是電各向異性的。一般認為，CFRP在順著碳纖維方向的縱向電導率在5×103～5×104S/ m之間，而在垂直于纖維方向的橫向電導率在10～100S/m之間。同時在層壓或編織結構中，每層碳纖維材料之間也會存在電導率，這個電導率比較小，大約是橫向電導率的一半左右?；谏鲜隹紤]，可以用式（1）來表述復合材料的電導率張量［3］。

式中，δL是縱向電導率，δT是橫向電導率，δcp是層與層之間的電導率，θ是單層材料中纖維方向在笛卡爾坐標下的角度。

2 CFRP渦流檢測的研究現(xiàn)狀

CFRP具有一定的導電能力，理論上可以用渦流檢測技術進行檢測。而且渦流檢測與其他檢測技術相比具有成本低、設備簡單、操作方便等優(yōu)點，因此CFRP渦流檢測的研究具有重要意義。雖然CFRP具有一定的導電能力，但其電導率較金屬材料小得多，并且不同方向上的電導率是不一樣的，這就增加了渦流檢測的難度。如何設計檢測探頭以及設置良好的檢測條件以提高檢測的靈敏度和信噪比，成為CFRP渦流檢測研究的重點之一。實驗探究的方法是最早也是最常用的CFRP渦流檢測的研究方法。

2003年，C.Carr等人利用基于高溫超導量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計的渦流檢測系統(tǒng)，掃描CFRP樣品表面，得到樣品表面的磁場分布，檢測出了隱藏的損傷。從磁場相位圖可以看出磁場相位取決于樣品的結構完整性，并且相位導數(shù)最小值隨著撞擊能量的增加而變大［4］。2007年，C. Bonavolontà等利用相似的渦流檢測系統(tǒng)，通過分析磁通量變化圖像，確定了CFRP內損傷的位置，并且得到了損傷的大小及形狀［5］。

2005年，R. Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對CFRP樣品表面進行掃描，利用全息信號處理方法處理測量信號的相位信息，得到聚焦的較為清晰的圖像，重構出碳纖維的分布情況，從而可以很清楚地看出損傷區(qū)域［6］。

2009年，W. Yin等設計了三種不同的線圈傳感器分別用于測量CFRP的體電導率，描繪纖維的方向特性和對單向CFRP樣品、正交雙向CFRP樣品及受沖擊損傷的CFRP樣品進行檢測并成像［7］。

2013年，K. Koyama等設計了一種矩形的交叉渦流檢測探頭，清楚地檢測到CFRP樣品的內部缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，通過調整激勵線圈與纖維方向之間的角度，可以減小噪聲，提高信噪比。但是雙向CFRP的檢測信號中噪聲仍比較大［8］。

2014年，B.Salski等通過測量兩個平行放置在CFRP樣品表面的平面螺旋線圈的互感來檢測材料中的缺陷［9］。

隨著計算機技術的發(fā)展以及仿真研究的進步，部分學者將目光投向CFRP渦流檢測的仿真研究。相比于實驗研究，利用計算機對渦流檢測進行仿真研究具有設備簡單，研究成本低，研究方法靈活等優(yōu)勢。

2009年，H.Menana等提出一個CFRP渦流檢測的三維計算模型。該模型基于T-φ表述（T和φ分別代表電矢量位和磁標量位），利用有限差分法計算CFRP的渦流密度。作者研究了材料內部的渦流分布規(guī)律及缺陷對渦流的影響。通過模擬得到了優(yōu)化的探頭參數(shù)和檢測條件，為實驗研究提供了很好的指導作用［10］。2011年，H. Menana等提出基于A-T表述（A代表磁矢量位）的積分微分模型，計算出CFRP渦流檢測中線圈阻抗的變化；還提出用于模擬CFRP薄板結構檢測的簡化準二維模型，提高了薄板結構檢測模擬的計算效率［11］。

2010年，G.Megali等設計了一個鐵氧體磁芯探頭，用于檢測CFRP中的缺陷，并使用有限元法進行模擬。此外他們還使用自適應同態(tài)濾波技術來提高模擬的精度［12］。

3 CFRP渦流檢測的發(fā)展展望

雖然CFRP的渦流檢測在實驗研究和計算機模擬兩個方面都取得了一定的進展，但仍有許多問題需要進一步的研究。未來可能的研究方向有：

（1）目前CFRP渦流檢測的仿真研究還處在起步階段，國內外對這方面的研究都比較少，還有待于今后的深入研究才能進一步發(fā)揮計算機仿真技術的優(yōu)勢，充分發(fā)揮其指導實驗研究并與實驗研究相互驗證的功用。

（2）實際CFRP中的碳纖維分布不均勻，缺陷形式多種多樣，這給CFRP渦流檢測的實驗研究帶來了很大的困難。雖然目前基于HTS SQUID磁力計的渦流檢測系統(tǒng)能夠較好得完成對復合材料損傷的檢測，但也不能檢測出所有的缺陷類型。因此，今后還需對如何更好的設計檢測探頭，排除碳纖維分布不均勻帶來的干擾，以及如何檢測更多類型的缺陷做進一步的研究。

（3）雖然SQUID是最靈敏的磁場測量器件，但其工作頻率低，此時CFRP中的渦流密度很小，對檢測不利。而且，SQUID體積大，操作復雜，不利于現(xiàn)場檢測。今后應重點研究高頻檢測。頻率高時，用普通線圈就可以得到較大的信號。

（4）實際檢測過程中，為了更好的保證檢測精度，往往不是采用單一的檢測技術手段。因此在今后的CFRP渦流檢測研究當中，還應重視與其他檢測技術手段的結合，這在一定程度上可以提升檢測效果，使檢測的準確性更高。

［1］沈真.碳纖維復合材料在飛機結構中的應用. 高科技纖維與應用，2010，35（4）：1-4.

［2］任姍姍，皇甫超華，崔慶龍.碳纖維復合材料的研究與應用.科技向導，2010（5）：67.

［3］S. B. Pratap and W. F. Weldon. “Eddy Currents in Anisotropic Composites Applied to Pulsed Machinery，” IEEE Trans. Magn.，vol. 32， no. 2， pp. 437-444， 1996.

［4］C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. “SQUID-based Non-destructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Polymer，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 13， no. 2，pp. 196-199， 2003.

［5］C. Bonavolontà， M. Valentino， G. Peluso， and A. Barone. “Non Destructive Evaluation of Advanced Composite Materials for Aerospace Application Using HTS SQUIDs，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 17， no. 2， pp. 772-775， 2007.

［6］R. Grimberg， A. Savin， R. Steigmann， and A. Bruma.“Eddy Current Examination of Carbon Fibers in Carbon-epoxy Composites and Kevlar，” The 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing， Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering， pp. 223-228， Sep. 2005.

［7］W. Yin， P. J. Withers， U. Sharma， and A. J. Peyton. “Noncontact Characterization of Carbon-fiber-reinforced Plastics Using Multi-frequency Eddy Current Sensors，” IEEE Trans. Instrum. Meas.， vol. 58， no. 3， pp. 738-743， 2009.

［8］K. Koyama， H. Hoshikawa， and G. Kojima. “Eddy Current Nondestructive Testing for Carbon Fiber-reinforced Composites，”J. Press. Vess-T.， vol. 135， no. 4， pp. 1-5， 2013.

［9］B. Salski， W. Gwarek， and P. Korpas， “Non-destructive testing of carbon-fiber-reinforced polymer composites with coupled spiral inductors，” IEEE Int. Micro. Symp.， pp. 1-4， 2014.

［10］H. Menana and M. Féliachi. “3-D Eddy Current Computation in Carbon-fiber Reinforced Composites，” IEEE Trans. Magn.，vol. 45， no. 3， pp. 1008-1011， 2009.

［11］H. Menana and M. Féliachi. “An Integro-differential Model for 3-D Eddy Current Computation in Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites，” IEEE Trans. Magn.， vol. 47， no. 4，pp. 756-763， 2011.

［12］G. Megali， D. Pellicanμo， M. Cacciola， S. Calcagno， M. Versaci，and F. C. Morabito. “EC Modelling and Enhancement Signals in CFRP Inspection，” Prog. Electrom. Res. M， vol. 14， pp. 45-60，2010.

此項研究為國家自然科學基金（批準號：51277154）和教育部博士點基金（項目編號：20120121110026）資助項目。