碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢測

劉晶晶

(上海材料研究所， 上海 200437)

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碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢測

劉晶晶

(上海材料研究所， 上海 200437)

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其制件在航空航天領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)也提出了更高的要求。通過制作埋有不同大小人工缺陷的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的膠接結(jié)構(gòu)、層壓結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試塊，并對這些試塊進行超聲檢測試驗，分析了如何設(shè)置超聲檢測參數(shù)才能有效檢出預(yù)埋缺陷的方法。結(jié)果表明：選取合適的檢測設(shè)備和檢測參數(shù)，能夠全部檢出人工預(yù)埋缺陷，驗證了超聲方法對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測的有效性。

復(fù)合材料；超聲檢測；膠接結(jié)構(gòu)；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

近年來，碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件中，先進復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能，可以有效實現(xiàn)飛機的輕量化和高性能化。然而，樹脂基碳纖維復(fù)合材料是復(fù)雜各項異性的多相體系，質(zhì)量存在離散性的特點，成型過程極其復(fù)雜，在制造工藝以及運輸、操作過程中都可能產(chǎn)生缺陷；服役過程中靜載荷、機械損傷、疲勞、蠕變、過熱等因素均會引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷。這些缺陷和損傷大大降低了結(jié)構(gòu)件的使用壽命，甚至還可能給飛機等各種航空結(jié)構(gòu)件帶來災(zāi)難性的后果。因此，缺陷無損檢測(NDT)和質(zhì)量無損評價(NDE)是必不可少的環(huán)節(jié)，且已經(jīng)融入到復(fù)合材料從研究到制造的全過程中。在近40年的復(fù)合材料無損檢測研究中，人們嘗試了很多無損檢測技術(shù)和方法，超聲檢測因具有靈敏度高、檢測缺陷范圍廣、穿透能力強、檢測效率高、操作簡單等優(yōu)點而成為應(yīng)用最廣泛的方法。當前復(fù)合材料超聲無損檢測的研究主要集中在三個方面：超聲新技術(shù)、超聲信號處理方法和均質(zhì)體系的微觀模型，而對于超聲波與復(fù)合材料內(nèi)部各種不連續(xù)結(jié)構(gòu)(氣孔、分層、夾雜、纖維與樹脂界面等)間相互作用的聲學(xué)物理特征并沒有過多的關(guān)注。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件主要有層壓結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、膠接結(jié)構(gòu)、縫編結(jié)構(gòu)等。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造在很多場合下離不開膠接技術(shù)；膠接結(jié)構(gòu)件在膠接制造過程中常見的缺陷主要有膠接強度低、表面局部損傷、膠接件變形、膠層疏松等。復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有極高的比強度和比剛度、耐疲勞性能好、抗疲勞和抗顫振能力高、耐沖擊、消聲吸聲、吸收和透射電磁波、隔熱防熱等優(yōu)點，比金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有更好的耐腐蝕性能。對復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的檢測方法主要有：阻抗法、諧振法、超聲法、X射線法等。目前，應(yīng)用最廣泛的是超聲檢測法，如水浸或噴水的脈沖回波或脈沖穿透衰減的C掃描法，它能在x/y平面上自動檢測，適用于大部件的檢測，并能有效地檢測位于x/y平面的孔隙、分層和脫粘等缺陷。

筆者采用超聲A掃描和C掃描檢測方法對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中埋入的人工缺陷進行檢測，以為同行檢測此類結(jié)構(gòu)中的分層、夾雜等缺陷提供參考。

1　超聲檢測方法原理和特點

聲波在介質(zhì)中傳播，當傳播路徑上的物理介質(zhì)，如聲阻抗等發(fā)生變化時，聲波就會改變原來的傳播特性，如產(chǎn)生折射、反射、散射等；介質(zhì)變化越復(fù)雜，聲波產(chǎn)生的變化也越復(fù)雜，如產(chǎn)生模型轉(zhuǎn)換等。超聲檢測就是利用聲波在物理介質(zhì)中的傳播特性來進行檢測的。由于聲波的傳播特性與被檢測材料或結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系，因此通常需要根據(jù)被檢測對象研究制定相應(yīng)的檢測方法和檢測技術(shù)。

超聲反射法是用于復(fù)合材料中的一種最為重要和普遍的檢測方法，其工作頻率一般在1MHz～10 MHz范圍，常用頻率為5 MHz，通過分析傳感器接收的回波信號進行缺陷識別。

2　復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的超聲檢測

筆者制作了L型結(jié)構(gòu)和工字形結(jié)構(gòu)的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料試件，主要模擬了L型結(jié)構(gòu)和工字形結(jié)構(gòu)中的夾雜缺陷，將未固化的L型結(jié)構(gòu)件與經(jīng)過預(yù)固化的復(fù)合材料層壓板通過共膠接的方式連接在一起。采用厚0.127 mm的聚四氟乙烯薄片模擬人工缺陷，缺陷位于T型結(jié)構(gòu)下表面與層壓板的膠接面，模擬缺陷均勻排布于兩側(cè)。含人工缺陷的L字型和工字型膠接結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。

圖1　預(yù)埋缺陷的L型膠接結(jié)構(gòu)試塊結(jié)構(gòu)示意

圖2　預(yù)埋缺陷的工字型膠接結(jié)構(gòu)試塊結(jié)構(gòu)示意

兩塊試塊都完成了超聲A掃描檢測，均采用接觸式脈沖回波法，所有人工缺陷均能檢測出來。整個檢測過程采用了兩種探頭，一種為楔形探頭，用來檢測膠接平面處的缺陷；另一種為筆式探頭，用來檢測拐角R區(qū)的缺陷。楔形探頭頻率為7.5 MHz，筆式探頭為高頻探頭。

在板和立柱間、R區(qū)域均埋入3個聚四氟乙烯人工缺陷，缺陷大小分別為φ6，φ9，φ12 mm。用超聲檢測A掃描方法對此兩塊試板進行了檢測，其中所有缺陷均可檢測出。

3　層壓結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的超聲檢測

層壓結(jié)構(gòu)的缺陷主要是分層、夾雜、孔隙等，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的損傷主要包括蒙皮和蜂窩芯的損傷、分層及脫膠等。

3.1層壓板試塊的檢測

層壓板試塊中間預(yù)埋了不同尺寸大小的缺陷，層壓板試塊結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。在板子中間兩排從左到右依次埋入φ6，φ9，φ12 mm缺陷。

圖3　層壓板試塊結(jié)構(gòu)示意

對兩塊試板進行超聲檢測，采用脈沖穿透底波成像C掃描法，缺陷可全部檢出。檢測參數(shù)為：增益27 dB、掃查步距1 mm、掃查極限速度是200 mm·s-1。檢測結(jié)果如圖4所示，缺陷所在位置為白色區(qū)域，從圖4可以看出整個板子貼合較均勻。

圖4　層壓板檢測結(jié)果

3.2蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試塊的檢測

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)是由上下2層面板和中間蜂窩芯粘合而成的(見圖5)，面板一般為玻璃纖維板或碳纖維薄板，芯材為蜂窩。在制造工藝不當或服役載荷作用下，復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)容易形成缺陷，這些缺陷的存在威脅著復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的安全，因此，對復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢測非常重要[1]。

圖5　蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意

對一塊蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試板進行超聲C掃描檢測，檢測所用的參數(shù)為：增益47 dB、掃查步距1 mm。檢測結(jié)果如圖6所示，可以看出人工缺陷全部檢出。

圖6　蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試塊檢測結(jié)果

4　結(jié)語

(1) 對埋入人工缺陷的碳纖維增強樹脂基試板進行超聲檢測，應(yīng)用超聲C掃描檢測方法可以檢測出蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試塊和層壓板試塊中的缺陷，應(yīng)用超聲A掃描可以檢測出L字型和工字型結(jié)構(gòu)試板中的人工缺陷。

(2) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的種類很多，實際檢測中應(yīng)針對各種復(fù)合材料的特點，選擇合適的檢測方法，或使用多種方法配合檢測，同時在實際操作中應(yīng)考慮影響檢測結(jié)果的主要因素，包括環(huán)境、材料、工藝等。

[1]曲亞林,寧寧,詹紹正. 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2011(20)：78-81.

Ultrasonic Testing of Carbon Fiber Reinforced Resin Matrix Composite Material Structure

LIU Jing-jing

(Shanghai Research Institute of Material, Shanghai 200437, China)

With the composite structure and its parts being widely used in aerospace, higher requirement for the nondestructive testing technology has been put forward. Different sizes of artificial defects were buried in glued buried structure,laminated structure, and honeycomb sandwich structure in the carbon fiber reinforced resin matrix composite material test blocks, and these test blocks were tested with ultrasonic and the way how to set the parameters to detect embedded defect effectively was discussed. The results showed that through properly selecting the appropriate detection equipment and testing parameters, all the embedded artificial defects could all be detected.

Complicated material;Ultrasonic testing;Bonding structure; Honeycomb sandwich structure

2016-06-24

劉晶晶(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事無損檢測科研與情報工作。

劉晶晶, E-mail: jingjing_121992@163.com。

10.11973/wsjc201610015

TG115.28

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1000-6656(2016)10-0064-03