碳纖維復合材料超聲掃描分層檢測及評價方法

魏瑩瑩， 安慶龍， 蔡曉江， 陳明, *

1. 上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240

2. 上海航天控制技術研究所， 上海 201109

碳纖維復合材料超聲掃描分層檢測及評價方法

魏瑩瑩1， 安慶龍1， 蔡曉江2， 陳明1, *

1. 上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240

2. 上海航天控制技術研究所， 上海 201109

由于碳纖維增強復合材料(CFRP)具有各向異性的特點，在其鉆削加工中極易形成分層、撕裂以及毛刺等加工缺陷，而分層對碳纖維層合板構件的性能影響最大，因而建立一套準確的針對分層缺陷的檢測、描述以及評價方法對層合結構碳纖維復合材料的有效應用具有重大意義。從分層缺陷的形成機理出發(fā)，通過對現(xiàn)有分層缺陷的檢測以及評價體系的分析，提出了基于高頻超聲掃描顯微鏡(SAM)來進行分層缺陷檢測評價的三維體積分層因子評價方法，并針對T800/X850碳纖維單向層合板對該方法進行了定征試驗，最后通過對實際加工孔的分層缺陷的評價，綜合對比了三維體積分層因子評價方法與傳統(tǒng)評價方法的應用效果。結果表明：分層缺陷是由力熱耦合引起的層間粘結失效，出口處更為嚴重；用超聲掃描顯微鏡檢測分層，可檢測不少于8層的碳纖維復合材料，至少可以清晰表達5層的內部分層特征；分層會發(fā)生隔層傳播，并且兩個相鄰鋪層為同向的層間結合強度最好，不易產生隔層傳播；三維體積分層因子可以更準確清晰地評價復合材料層合結構的內部缺陷。

碳纖維增強復合材料； 鉆孔缺陷； 分層機理； 高頻超聲掃描顯微鏡； 分層因子

伴隨著全球航空工業(yè)的快速發(fā)展，以及整個工業(yè)制造大環(huán)境對安全、經濟、環(huán)保的要求，碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)由于其比強度高、比模量高、耐腐蝕以及可設計性強等諸多優(yōu)點[1-6]，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金、高強鋼等金屬材料而成為主要的航空結構件材料。在諸多制孔加工缺陷中，分層對制孔質量有著致命的影響。據統(tǒng)計在飛機裝配中，CFRP構件的不合格產品中有超過60%是由于鉆削導致的分層缺陷[7-9]。因此，準確地描述和評價分層缺陷是進行CFRP表面質量研究的重要內容，也是實現(xiàn)CFRP高效、低缺陷制孔加工的基礎。

由于分層缺陷發(fā)生在CFRP內部的層與層之間，相對于金屬的缺陷來說，更不容易直接觀察和檢測[10-12]，尤其是當分層發(fā)生于更靠近材料內部時，即使將孔進行剖切也不易找到分層缺陷的位置。目前，針對CFRP分層評價常用的檢測方法有光學檢測、滲透檢測、常規(guī)超聲C掃描探傷檢測、工業(yè)CT檢測和紅外熱波檢測[13]。但它們或不能有效地描述層合板內部的分層情況，如光學檢測、滲透檢測和紅外熱波檢測；或雖能描述分層內部的分層情況，但不能滿足精度要求，如常規(guī)超聲C掃描探傷；或成本較高經濟性較低，如工業(yè)CT。高頻超聲掃描檢測技術是一種精度很高的無損檢測方法，可以利用其檢測樣品內部的缺陷(氣孔、裂縫、分層和夾雜等缺陷)，并且在對判別樣品密度差異、厚度檢測、彈性模量、幾何形狀改變等方面均有一定的功效。超聲掃描無損檢測的基本原理是，利用換能器將電磁脈沖轉換為特定頻率(5 MHz～2 GHz)的超聲波脈沖，通過耦合介質(如去離子水、酒精等)到達樣品，當聲波信號在樣品表面或者內部遇到如氣孔、雜質、分層裂紋等聲波阻抗時界面就會發(fā)生反射，換能器接收到反射信號后，會將其轉化為電脈沖，繼而得到一張高分辨率的超聲波圖像。本文采用高頻率的超聲掃描顯微鏡(Scanning Acoustic Microscope，SAM)來進行CFRP材料分層缺陷的檢測和評價，克服了常規(guī)超聲C掃描探傷精度較低的缺點，達到了顯微鏡級別精度。對鉆削分層缺陷進行檢測后，更重要的是要完成對分層程度的定量評價。對于分層缺陷的評價，多數(shù)研究者[14-18]都是通過得到最外層可觀察到的分層和撕裂范圍作為分層缺陷來計算分層缺陷的大小，在分層的評價方法上主要是采用二維面積分層因子，也有少數(shù)人采用了一維直徑分層因子，這兩種方法都只能對單層材料的分層缺陷進行評價。由于分層缺陷通常是以多層分層缺陷的形式出現(xiàn)，不單出現(xiàn)在孔的出入口處，因而本文在高頻SAM檢測的基礎上提出了三維體積分層因子來對層合結構碳纖維復合材料孔的分層缺陷進行準確描述。

1 分層機理

鉆削加工CFRP層合板時分層缺陷有兩種類型：一種發(fā)生在鉆削入口處，被稱為剝離分層(Peel-up Delamination)；一種發(fā)生在鉆削出口處，被稱為推出分層(Push-out Delamination)，如圖1所示[19-20]。兩種分層類型的發(fā)生都是由于切削加工中對CFRP材料產生力熱耦合影響，使得材料在層間發(fā)生粘結失效，而入口和出口處都是缺少某一個方向上的材料支撐而更容易發(fā)生分層。其中，出口處分層的發(fā)生較入口處分層更為嚴重，這主要是由于鉆削軸向力的影響。大量研究表明，在CFRP材料的鉆削過程中軸向力與分層缺陷有著密切關系，當軸向力超過一定范圍時分層缺陷就會發(fā)生。一般通過選擇合適的鉆削工藝，包括鉆削加工參數(shù)、鉆削刀具的鉆尖形貌、刀具角度等，來使得鉆削加工過程中每一層CFRP材料的軸向力均不超過臨界軸向力來實現(xiàn)無分層缺陷的制孔。

圖2為CFRP單向層合板的典型分層缺陷形式，其中圖2(b)為超聲掃描顯微鏡的內部分層缺陷掃描照片，高反射的亮白區(qū)域為分層缺陷形成的材料內部空隙?？梢钥吹?，分層缺陷發(fā)生后主要在孔口處沿長纖維方向向外擴展，因此分層缺陷的擴展方向同樣具有各向異性。

圖1 鉆削CFRP層合板時分層缺陷的類型[19-20] Fig.1 Delamination defect classification in drilling CFRP laminates[19-20]

圖2 CFRP單向層合板的典型分層缺陷 Fig. 2 Typical delamination defect of CFRP unidirectional laminates

分層缺陷的形成機理：①入口分層缺陷，入口剝離分層發(fā)生在鉆削刀具進入工件材料的時候，當切削刃剛剛接觸CFRP層合板的上層材料，會在層內產生周向方向的切削力，此周向力在遇到制孔刀具的螺旋角時會產生向上的軸向分力，此分力超過CFRP層合板的層間90°結合強度時就會使入口側上層材料發(fā)生剝離基體，形成入口缺陷；②出口分層缺陷，出口推出分層發(fā)生在鉆削刀具到達工件材料出口側的時候，隨著刀具的向下推進CFRP層合板出口處的未被切削的材料的厚度逐漸變小，剩余的材料層數(shù)也逐漸變少，則工件材料抵抗鉆削軸向力和板料沿厚度方向變形的能力會越來越差。當達到CFRP層合板的層間90°結合強度時，出口推出分層就會發(fā)生。出口分層一般發(fā)生在制孔刀具還未完全穿透工件材料之前，出口分層直接與軸向力相關，且其發(fā)生的程度遠超過入口分層。

2 分層缺陷的高頻SAM檢測

為應用SAM技術對CFRP進行分層缺陷的評價，需要進行CFRP單向層合板分層缺陷的SAM定征試驗，即確定分層缺陷在SAM檢測中的圖像信號特征。本節(jié)首先在CFRP單向層合板內部預制了分層缺陷，并且對板材內部每一層的分層缺陷進行了SAM成像分析，得出了分層缺陷各向異性的特點以及分層缺陷會隔層傳播的規(guī)律。

2.1 預制分層缺陷

試驗采用KSI-V400超聲掃描顯微鏡，超聲探測頭的工作頻率為75 MHz。被檢測材料為T800/X850 CFRP單向層合復合材料板，板厚為6.08 mm，鋪層方向為[-45/45/0/0/0/45/0/0/90/0/-45/0/-45/90/45/0]s。耦合劑為去離子純凈水，采用C掃描方式逐層成像指定深度處平面的超聲反射強度。圖3為預制了分層缺陷的CFRP板。CFRP板單層厚度為0.2 mm，首先預制#1～#12共12個盲孔，盲孔直徑為6.36 mm，盲孔的底厚依次為1～11層CFRP單層材料的厚度，#1和#2號盲孔的底厚均為1層單層材料的厚度。另外采用螺旋銑孔的方式單獨制一個底厚為1層材料的直徑為6.36 mm的標定孔，用于標定檢驗SAM的超聲成像精度。其后，標定孔不再制出分層缺陷，#1到#12盲孔需要預制分層缺陷，在數(shù)控機床上采用直徑為6.35 mm的硬質合金棒料將盲孔底部推出分層缺陷。這樣就可以在#1到#12孔中依次得到在1～11層深處的預制分層缺陷。應用SAM對標定孔的制孔直徑進行無損探測，定征結果是：在0.2 mm深度處SAM成像之后，圖像處理的識別結果是孔徑為6.363 mm，檢測誤差只有3 μm，精度達到了5 μm的要求。

圖3 預制分層缺陷的CFRP單向層合試驗板Fig.3 Testing board of CFRP unidirectional laminates with prepared delamination defects

2.2 分層缺陷檢測

距離試驗板背面0.2 mm深度處(1層材料厚度)的SAM成像結果如圖4所示?？梢钥吹剑喊咨吡良礊榉謱尤毕莸腟AM基本成像特征，即遇到空隙界面(分層)時會發(fā)生的強超聲反射回波。第1層分層缺陷的擴展方向為沿著本層的纖維方向(-45°)從孔口向周圍材料擴展。另外，可以發(fā)現(xiàn)除標定孔、#1、#2三個預留底厚為1層材料厚的孔外，其余的多個孔(#3～#10)也在第1層深度處出現(xiàn)了分層成像特征。也就是說在距離底部更遠的層深處預制分層缺陷時，在第1層處也發(fā)生了分層，即分層缺陷發(fā)生了隔層傳播。這種現(xiàn)象可以解釋為底部第1層材料的層間結合

圖4 第1層分層缺陷的SAM成像結果 Fig.4 SAM photo of delamination defects in the first layer

強度低，可能會在隔層受到軸向力作用后產生分層缺陷。

圖5為距離試驗板背面2層材料厚度處的SAM成像結果?？梢钥吹剑旱?層分層缺陷的擴展方向為沿著本層的纖維方向(45°)從孔口向周圍材料擴展。第2層的分層擴展同樣隔層發(fā)生了，但發(fā)生的程度不及第1層。由此可見，CFRP單向層合材料的內部發(fā)生分層時與該層所處的位置有關，越靠近表面層的位置越容易發(fā)生分層，越遠離表面層的位置越不易分層。

圖6為距離試驗板背面3～5層材料厚度處的SAM成像結果，可以看到：分層缺陷的擴展方向依然為沿著本層的纖維方向(0°)從孔口向周圍材料擴展。第3層的分層擴展幾乎沒有隔層發(fā)生，除了#4孔上的白色高亮0°方向分層，其他孔在這一深度處均沒有明顯分層發(fā)生。考慮到第4層的鋪層方向同樣是0°，可以得到：兩個同向鋪層之間的層間結合強度較高，不易在兩層之間發(fā)生層間分層，且可以有效阻斷分層的隔層傳播。與其他層的分層相比，第4層的分層特征不明顯，分層是小分層?？紤]到第3、4、5層均為0°鋪層，可以知道：連續(xù)的同向鋪層可以增強CFRP單向層合材料的整體層間結合強度，并能有效減小分層的發(fā)生。雖然第5層為0°鋪層，但由于下一層(第6層)不再是同向的0°鋪層，分層的白色高亮特征再次開始顯著。并且第5層的分層再次出現(xiàn)了隔層傳播的特點，在#7～#10號孔的第5層位置處發(fā)生了明顯的分層。

圖5 第2層分層缺陷的SAM成像結果Fig.5 SAM photo of delamination defects in the second layer

圖6 第3～5層分層缺陷的SAM成像結果 Fig.6 SAM photos of delamination defects in the third-5th layers

如圖7所示，為距離試驗板背面1.2～1.8 mm深度處(6～9層材料厚度)的SAM成像結果?？梢钥吹剑悍謱拥腟AM特征仍延續(xù)之前的規(guī)律，但SAM的成像清晰度開始隨著分層位置的變深而逐漸下降。由此可以得到，在第6層材料之后試驗所采用的SAM檢測方法已經不再滿足要求，超聲波的穿透能力開始不足，在達到更深的深度之后分辨率開始逐漸下降。

圖7 第6～9層分層缺陷的SAM成像結果 Fig.7 SAM photos of delamination defects in the 6th-9th layers

3 分層缺陷評價

目前最常用的一種方法是取最大分層直徑與孔的公稱直徑的比值作為衡量分層程度的標準，即直徑分層因子Fd，也叫一維分層因子，其表達式為

(1)

式中：Dd為最大分層直徑；Dn為孔的公稱直徑。直徑分層因子Fd是一種一維的比較簡單直接的評價指標，在評價某些特定的分層情形時并不合適，比如在發(fā)生有些分層時只有一小束纖維發(fā)生了長度較長的分層剝離，在整個孔徑的其他區(qū)域卻沒有發(fā)生明顯的分層。在此種情況下，采用Fd評價分層程度是不合理的，如圖8所示[21]，采用Fd對圖中的分層缺陷進行評價后得到的直徑分層因子是一樣的，而實際兩者的分層缺陷差別極大。面積分層因子Fa，也稱二維分層因子，考慮了分層在孔周圍的發(fā)生極不均勻的情況，將分層的實際面積代入計算分層因子，用分層的實際面積與孔的公稱面積的比值評價分層程度[18]，面積分層因子的表達式為

(2)

式中：Ad為實際分層面積；An為孔的公稱面積。

圖8 直徑分層因子和面積分層因子[21] Fig.8 Dimensional delamination factor and area delamination factor[21]

直徑分層因子和面積分層因子都是基于單層缺陷進行評價，但是由于分層缺陷不僅發(fā)生在最外側一層，通常會在構件內部存在分層的隔層傳播從而形成多層分層缺陷，因此本文提出了一種基于三維分層體積的評價方法，可以更加準確地描述制孔加工中分層缺陷。

(3)

式中：Fv為三維體積分層因子，它是實際的分層體積與孔的公稱體積的比值；Vd為發(fā)生分層的實際總體積；Vn為孔的公稱圓柱體積。

對式(3)進行展開得式(4)和式(5)：

(4)

(5)

(6)

T800/X850單向層合板上4個鉆削制孔的SAM檢測結果如圖9所示，孔徑為4 mm，從左至右依次為#1～#4孔。從復合材料表面起每隔0.2 mm深度進行一個C掃描方式平面成像，共取了3層深度的SAM照片，得到了3層材料的分層情況。表1給出了應用不同分層評價方法得到分層評價因子。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，采用一維分層因子得到的分層缺陷從小到大為#2>#1>#3>#4，且其中#1和#3的Fd區(qū)別不大；采用二維分層因子Fa得到的分層缺陷從小到大為#1>#2>#3>#4；采用三維體積分層因子Fv得到的分層缺陷從小到大為#2>#1>#3>#4，且其中#1和#3的Fv區(qū)別明顯。由于CFRP在鉆削加工時的分層缺陷是涉及多層材料均發(fā)生分層的結構缺陷，而三維體積分層因子計算了分層已經擴展到多層材料的情況，能夠更準確、全面的對多層材料內發(fā)生的分層缺陷進行表征。即，三維體積分層因子是一種適用于CFRP層合板分層缺陷的評價方法。

圖9 考慮多層分層缺陷的制孔SAM檢測結果Fig.9 SAM photo of delamination defects in making hole with more layers in consideration

表1 CFRP單向層合板分層缺陷不同評價方法對比

Table1ComparisonofdifferentevaluationmethodsofdelaminationdefectsinCFRPunidirectionallaminates

Evaluationmethod#1#2#3#4Fd2.613.042.581.88Fa1.481.450.970.27FvF1a1.481.450.970.27F2a0.210.320.150.11F3a0.020.120.040.01Fv0.570.630.390.13

4 結 論

1) 分層缺陷的成因是鉆削中的力熱耦合引起的碳纖維復合材料的層間粘結失效，主要出現(xiàn)在鉆削的入口和出口處，而且一般出口處更嚴重。

2) SAM有足夠的穿透能力和分辨能力，可穿透不少于8層CFRP材料和至少可以清晰表達5層內的分層特征(每層0.2 mm)。

3) 分層缺陷具有各向異性的特點，會沿著層內纖維方向擴展，在空隙界面上發(fā)生強烈超聲反射，SAM成像呈亮白狀態(tài)。

4) 分層會發(fā)生隔層傳播，上層材料受到軸向力分層時，下層材料可能會逐層分層，也就是說分層的控制應該是制孔全過程的，而不只是在出口最后一層材料，且兩個同向鋪層之間的材料層間0°結合強度最好，不易發(fā)生隔層分層傳播。

5) 分層缺陷的形成通常是一種發(fā)生在多層材料上的三維結構缺陷，提出了一種三維體積分層因子的分層評價方法。

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魏瑩瑩女，博士研究生。主要研究方向：難加工復合材料缺陷機理研究和孔加工技術。

Tel.: 021-34206824

E-mail: yywei66@163.com

陳明男，博士，教授，博士生導師。主要研究方向：高速切削/高速磨削理論與應用技術，難加工材料加工與精密加工。

Tel.: 021-34206317

E-mail: mchen@sjtu.edu.cn

*Correspondingauthor.Tel.:021-34206317E-mail:mchen@sjtu.edu.cn

CFRPultrasonicscandelaminationdetectionandevaluationmethod

WEIYingying1,ANQinglong1,CAIXiaojiang2,CHENMing1,*

1.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China2.ShanghaiInstituteofSpaceflightControlTechnology,Shanghai201109,China

Becauseoftheanisotropy,carbonfiberreinforcedplastics(CFRP)materialsarepronetoformmachiningdefectsindrillingprocesses,suchasdelamination,tearingandburr,amongwhichdelaminationhasthemostimportantinfluenceoncompositesproperties.Therefore,itisessentialtoestablishasetofmethodstodetectandevaluatedelaminationclearly.Basedonthemechanismofdelaminationandanalysisofcurrentdetectionandevaluationmethods,akindof3-Ddelaminationfactorevaluationmethodisproposedbyhighfrequencyscanningacousticmicroscope(SAM),anddelaminationcharacteristicsofT800/X850areidentifiedbasedonSAM.Finally,theresultswerealsocomparedbetween3-Ddelaminationfactormethodandtraditionalmethods.Theresultsshowthatdelaminationdefectsarecausedbymechanical-thermalcouplingwhichmayinduceinterlayerbondingfailureandtheexitismoreserious.What’smore,delaminationofnolessthan8layersinCFRPcouldbedetectedbySAMandinternallayeredcharacteristicsofatleastfivelayerscouldbeobviouslydetected.Delaminationcouldbetransferredtootherlayersandinterfacialbondingstrengthshowsthebestwhentheadjacentlayersareinthesameorientation.Moreover,3-Ddelaminationfactorcouldevaluatetheinternaldefectsofcompositelaminatesmoreaccurately.

CFRP;drillingdefects;delaminationmechanism;SAM;delaminationfactor

2015-10-19;Revised2015-11-16;Accepted2015-11-30;Publishedonline2015-12-090839

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151209.0839.002.html

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51475298);NationalHigh-techResearchandDevelopmentProgramofChina(2013AA040104)

2015-10-19;退修日期2015-11-16;錄用日期2015-11-30; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2015-12-090839

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151209.0839.002.html

國家自然科學基金 (51475298)； 國家“863”計劃 (2013AA040104)

*

.Tel.:021-34206317E-mailmchen@sjtu.edu.cn

魏瑩瑩， 安慶龍， 蔡曉江， 等． 碳纖維復合材料超聲掃描分層檢測及評價方法J. 航空學報,2016,37(11):3512-3519.WEIYY,ANQL,CAIXJ,etal.CFRPultrasonicscandelaminationdetectionandevaluationmethodJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(11):3512-3519.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2015.0324

V254.2; TH145.9

A

1000-6893(2016)11-3512-08