碳纖維復(fù)合材料表面裂紋與纖維彎曲無損檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

劉小華++曾志偉

摘 要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）以其優(yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領(lǐng)域。然而CFRP在使用或制造過程中會出現(xiàn)一些諸如表面纖維斷裂、纖維彎曲的損傷，這些損傷對結(jié)構(gòu)往往造成致命的威脅，因此對CFRP進行無損檢測顯得意義重大。本文介紹CFRP表面裂紋與纖維彎曲的研究現(xiàn)狀，并就這方面發(fā)展的方向提出一些看法。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；表面裂紋；纖維彎曲；無損檢測

中圖分類號：TB332 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名為碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，其中碳纖維作為增強相，樹脂基作為基體。與金屬材料相比，CFRP有更好的比強度、比剛度、抗疲勞性、抗腐蝕性和減震性。因為其優(yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領(lǐng)域。然而CFRP在使用或制造的過程中會出現(xiàn)表面裂紋和纖維彎曲等損傷，比如使用時遭遇沖擊或被尖銳物體劃過表面就會造成表面裂紋，制造過程中快速固化引起殘余應(yīng)力提高便會造成纖維彎曲。這些損傷可以對結(jié)構(gòu)造成致命威脅，引發(fā)重大事故，因此對CFRP結(jié)構(gòu)進行無損檢測顯得意義重大。CFRP是各向異性材料，這使得對CFRP材料表面裂紋與纖維彎曲等損傷的無損檢測研究變得更為棘手。

目前對CFRP進行無損檢測的方法主要有超聲檢測、紅外檢測、渦流檢測、太赫茲時域光譜檢測、聲發(fā)射檢測以及微波檢測等，每種方法有其擅長檢測的缺陷類型。本文就國內(nèi)外研究人員針對CFRP表面裂紋與纖維彎曲這兩類損傷的檢測進行的研究展開介紹，并對今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂紋檢測的研究現(xiàn)狀

超聲技術(shù)是目前針對CFRP表面裂紋的一種主要無損檢測方法，不斷有學(xué)者在這方面做出創(chuàng)新，激光超聲檢測便是一種新興技術(shù)。1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)激光超聲現(xiàn)象，即用激光束照射到物體時，物體表面10～100μm厚度內(nèi)會激發(fā)出超聲波。對激發(fā)出的超聲波信號進行分析就可以得到物體表面的輪廓信息[1]。自1980年開始，美國學(xué)者開始了將激光超聲應(yīng)用于無損檢測的研究，由此產(chǎn)生了激光超聲檢測技術(shù)[2]。20世紀(jì)90年代開始將激光超聲技術(shù)用于復(fù)合材料的檢測[3]。后來此項技術(shù)被洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司獲得，在美國軍方聯(lián)合攻擊機JSF項目的競爭以及開發(fā)F22與F35型戰(zhàn)斗機的過程中，該技術(shù)獲得了極大地發(fā)展，在檢測CFRP表面裂紋的能力方面也取得了重大進步[4]。

渦流檢測技術(shù)也是檢測CFRP表面裂紋的一種重要方法。電渦流遇到缺陷時發(fā)生擾動，其在CFRP表面產(chǎn)生的磁場亦發(fā)生變化，通過分析CFRP樣品表面的磁場信號可以得到樣品表面的輪廓信息，檢測出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超導(dǎo)量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計的渦流檢測系統(tǒng)對CFRP樣品進行檢測，根據(jù)樣品板表面的磁場分布，檢測出了樣品板表面的裂紋[5]。2005年，R.Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對CFRP板表面進行掃描，利用全息信號處理法處理信號的相位信息，得到了聚焦的較為清晰的圖像，重構(gòu)了碳纖維的分布情況，從而檢測出了表面裂紋[6]。

2015年，中國計量學(xué)院的廖曉玲等利用反射式太赫茲時域光譜（THz-TDS）成像技術(shù)對CFRP缺陷進行了無損檢測實驗，獲得了含不同缺陷碳纖維樣品的成像結(jié)果及數(shù)據(jù)。發(fā)射探頭兩側(cè)有多個接收探頭，通過處理接收探頭獲得的反射信號便可重構(gòu)缺陷信息。結(jié)果表明，反射式THz-TDS成像技術(shù)在0.1～3.5THz波段對CFRP中熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率較高[7]。

2016年，國防科技大學(xué)何赟澤等通過電磁感應(yīng)加熱與紅外熱成像測溫相結(jié)合的技術(shù)成功地對沖擊后的CFRP樣品進行了表征和損傷檢查，識別了破碎的碳纖維，檢測出了CFRP表面裂紋缺陷[8]。

2 CFRP纖維彎曲檢測的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對CFRP纖維彎曲檢測的研究起步較晚，2015年，楊玉娥等研究微波信號在復(fù)合材料中的傳播特性，使用N5225A網(wǎng)絡(luò)分析儀對碳纖維的方向和纖維彎曲進行了微波無損檢測研究，用微波信號反射系數(shù)的相位和幅值來表征纖維方向和纖維彎曲缺陷。結(jié)果表明，在頻率為38GHz時可以用反射系數(shù)幅值表征纖維彎曲缺陷，反射系數(shù)幅值最大變化為0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一種探測器來檢測單向CFRP平面內(nèi)和平面外纖維彎曲，基于渦流的非破壞性技術(shù)來表征纖維取向。這種探測器由三個矩形線圈組成，其中兩個相同的線圈共面放置作為激勵，正中間一個接收線圈與兩激勵線圈所在平面垂直放置。通過變換探測器放置的方式，可以測量面內(nèi)纖維波紋度（即纖維彎曲程度）、面外纖維波紋度以及纖維方向角。實驗研究表明，他們所提出的探測器可以檢測出薄的單向CFRP中長度為15.9mm，最大偏移量為1.1mm的面內(nèi)纖維波紋度，也可以檢測出厚的單向CFRP中最大偏移量為3.5mm的面外纖維波度。他們發(fā)現(xiàn)掃描具有平面外波紋的材料獲得的復(fù)平面中的輸出信號變成環(huán)形圖，環(huán)形圖可用于識別平面外纖維波度的存在和位置[10]。

2016年，他們又提出了一種可視化多向CFRP纖維波紋度檢測方法。由于由驅(qū)動線圈感應(yīng)的渦流沿著碳纖維流動，所以如果渦流路徑可視化，纖維波動就可以可視化。他們提出了一種新的復(fù)平面分析方法來將渦流路徑可視化。該方法的有效性通過有限元分析得到了驗證。對多向CFRP試樣進行實驗，在樣品中人工誘導(dǎo)具有6.9°至24.9°的失準(zhǔn)角的面內(nèi)波紋。從磁場數(shù)據(jù)可視化渦流路徑，得到了波紋的形狀。將波狀渦流路徑的尺寸與通過X射線計算機層析成像測量的波紋尺寸和光學(xué)圖像進行比較，結(jié)果表明，渦流法可以準(zhǔn)確地估計表面波度尺寸，但低估了內(nèi)部波動尺寸[11]。

3 展望

國內(nèi)外關(guān)于CFRP表面裂紋與纖維彎曲的無損檢測研究取得了可喜的進步。未來可以在如下方面展開進一步的研究。

（1）目前很少有專門針對CFRP表層裂紋的研究報告，裂紋造成的纖維斷裂對CFRP結(jié)構(gòu)的危害是不容小覷的，希望有擅長檢測裂紋的無損檢測專家對此多加關(guān)注，給CFRP表面裂紋檢測研究提供更多可供參考的文獻。

（2）渦流檢測中用于檢測CFRP表層裂紋的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作頻率低，此時CFRP中渦流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID體積大，不利于現(xiàn)場檢測操作。因此有必要研究使用方便，可在較高頻率下工作的探頭。

（3）關(guān)于CFRP纖維彎曲的無損檢測研究還非常少，還有很多工作可以做，鼓勵無損檢測各個領(lǐng)域的專家對此展開研究。

致謝：感謝福建省傳感技術(shù)重點實驗室和廈門市傳感器技術(shù)重點實驗室經(jīng)費的支持。

參考文獻

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[11]K.Mizukami，Y. Mizutani， K. Kimura， A. Sato et al. Visualization and size estimation of fiber waviness in multidirectional CFRP laminates using eddy current imaging[J]. Composites Part A，2016，90：261-270.