碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷的瞬態(tài)紅外熱成像檢測(cè)*

李慧娟，劉雨生

（1. 中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2. 航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110035）

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)軍用飛機(jī)性能指標(biāo)的要求不斷提高，使得飛機(jī)傳統(tǒng)材料已經(jīng)漸漸顯現(xiàn)出弊端。隨著高性能復(fù)合材料研發(fā)與應(yīng)用的逐漸擴(kuò)展，多種新型復(fù)合材料的優(yōu)異性能已得到驗(yàn)證與普遍認(rèn)可，并在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮起越來越重要的作用。由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，以及耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良的性能，大批軍用飛機(jī)零部件相繼采用復(fù)合材料[1-2]。由于復(fù)合材料具有層間強(qiáng)度低的特性，一旦復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷，可能會(huì)影響其力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)安全性。因此，業(yè)內(nèi)眾多專家長(zhǎng)期在研究損傷對(duì)復(fù)合材料性能的影響[3-7]。

飛機(jī)在飛行過程中，經(jīng)常會(huì)遇到雷雨天氣，不可避免地會(huì)受到雷電襲擊，從而造成雷擊損傷，雷擊損傷主要有直接損傷與間接損傷兩類。直接損傷包括金屬表面灼燒、熔化或變色以及復(fù)合材料表面灼燒、穿刺或脫層；間接損傷主要是對(duì)電子電器設(shè)備、電網(wǎng)或電網(wǎng)終端的損傷。在復(fù)合材料的眾多損傷中，雷擊損傷受到高度關(guān)注[8]，其嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到飛機(jī)的飛行安全，不少學(xué)者開展了針對(duì)復(fù)合材料雷擊損傷的無損檢測(cè)技術(shù)研究[9]。

本文針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板試樣開展雷擊模擬試驗(yàn)，對(duì)受到雷擊沖擊形成損傷的試樣進(jìn)行檢測(cè)，基于紅外熱輻射理論，采用具有一定脈沖寬度的長(zhǎng)脈沖熱源對(duì)試樣表面進(jìn)行熱激勵(lì)，利用主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)方法檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部受到雷擊后的分層損傷。

1 瞬態(tài)紅外熱成像

1.1 主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)

主動(dòng)式紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)是近年來發(fā)展較快的非接觸式無損檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)被檢物的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和損傷類型等設(shè)計(jì)不同的熱激勵(lì)源。被檢測(cè)物內(nèi)部由于損傷的存在導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域與無損傷區(qū)域?qū)?yīng)的表面產(chǎn)生溫差，利用紅外輻射學(xué)、輻射測(cè)量學(xué)、材料學(xué)等知識(shí)研究熱激勵(lì)源與材料的作用，研究被檢測(cè)物材料表面及表面下的物理特性以及邊界條件影響熱的傳導(dǎo)規(guī)律，分析被檢測(cè)物表面溫度場(chǎng)分布與損傷之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過被檢測(cè)物表面溫度場(chǎng)的分布情況來確定被檢測(cè)物的內(nèi)部信息[10-11]。

主動(dòng)式紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)最主要的激勵(lì)方式為熱激勵(lì)，最早的熱激勵(lì)源為脈沖閃光燈熱激勵(lì)。脈沖閃光燈激勵(lì)檢測(cè)速度快，多適用于熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的金屬及部分非金屬材料，而對(duì)于熱傳導(dǎo)系數(shù)較小或材料厚度較大的試件，閃光燈脈沖法由于能量較小等原因難以滿足檢測(cè)需求，因此產(chǎn)生了大功率持續(xù)加熱的激勵(lì)方法，即瞬態(tài)紅外熱成像檢測(cè)方法。瞬態(tài)熱成像方法又可稱為長(zhǎng)脈沖激勵(lì)紅外熱成型檢測(cè)方法，歐洲多家航空航天制造企業(yè)利用長(zhǎng)脈沖激勵(lì)紅外熱成像方法對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料壁板、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、火箭整流罩的碳化硅復(fù)合材料部分進(jìn)行檢測(cè)，能夠有效檢測(cè)出復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷[12-14]。

1.2 瞬態(tài)熱激勵(lì)方式

瞬態(tài)熱激勵(lì)方式采用有一定時(shí)間長(zhǎng)度的矩形波進(jìn)行熱激勵(lì)，其功率較大、能量高，能使熱量被熱傳導(dǎo)系數(shù)較小的材料充分吸收并以熱波的形式在試件內(nèi)部傳播，其熱波形式如圖1所示，檢測(cè)示意圖如圖2所示。

圖1 瞬態(tài)熱激勵(lì)波形Fig.1 Transient wave

圖2 檢測(cè)示意圖Fig.2 Diagram of thermography testing

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

瞬態(tài)紅外檢測(cè)技術(shù)利用長(zhǎng)脈沖熱源在檢測(cè)試樣表面施加激勵(lì)能量，從而打破被檢測(cè)物所處的熱平衡狀態(tài)，使能量在被檢測(cè)物內(nèi)部傳導(dǎo)，物體存在溫度梯度時(shí)能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)。當(dāng)熱波遇到物體內(nèi)部缺陷或物體下邊界時(shí)其傳輸形式發(fā)生改變，熱波返回激勵(lì)表面，在表面形成隨時(shí)間變化的溫度分布。試樣內(nèi)部存在缺陷時(shí)，缺陷區(qū)域與完好區(qū)域?qū)?yīng)的表面溫度場(chǎng)分布將產(chǎn)生熱差異，檢測(cè)結(jié)果顯現(xiàn)為輻射亮度分布或變化方式的差異，即認(rèn)為是疑似缺陷，通過分析輻射亮度差異研究被檢測(cè)材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的類型、深度等特性。

缺陷類型分析：采用紅外熱波成像檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)得到的檢測(cè)原始圖像為原始熱圖，若檢測(cè)件內(nèi)部存在缺陷，將會(huì)從某時(shí)刻開始一直影響熱的傳播，在熱圖中就會(huì)以不同于正常無缺陷處的灰度反映出來。缺陷熱特性為熱傳導(dǎo)性比無缺陷區(qū)域差時(shí)，熱波在材料內(nèi)部傳導(dǎo)至材料底部時(shí)熱量減小，表面呈現(xiàn)的熱量較無缺陷區(qū)域高，輻射亮度較高，圖像中以白色顯示，例如空氣。反之，缺陷熱特性為熱傳導(dǎo)性比無缺陷區(qū)域高時(shí)，表面輻射亮度較低，圖像中以黑色顯示，例如熱傳導(dǎo)較高的金屬。對(duì)得到的原始熱圖可進(jìn)行一階微分計(jì)算，減少了噪聲的影響，在一階熱圖序列中，曲線的斜率發(fā)生正負(fù)變換，相應(yīng)地在熱圖序列中看到圖像的灰度發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因此，可通過分析原始熱圖或微分熱圖的灰度及變化對(duì)缺陷類型進(jìn)行界定。

缺陷深度分析：以包含不同深度、不同大小已知平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果為例，檢測(cè)深度隨時(shí)間的變化關(guān)系可以在熱圖序列中看出，熱圖中缺陷深度不同，其在不同時(shí)刻顯現(xiàn)。圖3所示為5類缺陷，其埋深依次為0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.5mm及3.5mm，顯現(xiàn)時(shí)間依次延長(zhǎng)?？梢?，隨著檢測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)所能檢測(cè)的缺陷深度逐漸增加，因此可通過分析缺陷顯現(xiàn)的時(shí)間對(duì)缺陷深度進(jìn)行確定。

圖3 不同埋深平底孔缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Test result of different depth of flat-bottom hole

2 試樣及雷擊試驗(yàn)

試樣為復(fù)合材料層壓板。試樣1雷擊試驗(yàn)尺寸為700mm×700mm×1mm，試樣2雷擊試驗(yàn)尺寸為300mm×300mm×1mm。材料為T300碳纖維，鋪層為[45°/-45°/0°/90°]S，采用熱壓罐成型工藝將碳纖維預(yù)浸料與鋁網(wǎng)共固化而成，鋁網(wǎng)表面涂防護(hù)漆層。

按照SAE ARP5412-2005《飛機(jī)雷電環(huán)境及相關(guān)試驗(yàn)波形》進(jìn)行雷電的直接效應(yīng)試驗(yàn)。對(duì)兩塊試樣按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求施加不同的電流組合，以模擬不同雷擊區(qū)域的放電過程，用來確定雷擊對(duì)層合板的損傷程度。施加不同組合的電流分量后將會(huì)對(duì)試樣表面及內(nèi)部產(chǎn)生一定的影響，形成可見或內(nèi)部損傷。

用于試驗(yàn)有的4個(gè)電流分量A、B、C、D，分別模擬自然雷擊放電過程的不同電流特性。分量A峰值為初始高峰電流，分量B為中間電流，分量C為持續(xù)電流，分量D為重復(fù)放電電流，各分量的具體參數(shù)根據(jù)SAE ARP5412-2005確定。

試樣1電流按A→B→C施加。雷擊試驗(yàn)后，試樣施加電流表面出現(xiàn)損壞，背面區(qū)域無變化，雷擊試驗(yàn)后的試樣1如圖4所示。試樣1雷擊區(qū)域正面可觀察到一圓形表面灼燒及中心區(qū)域的線狀損傷，試樣背面表面完整，沒有可直接觀察的缺陷與損傷。正面可目視觀測(cè)的灼燒區(qū)域?yàn)榻鼨E圓形，其長(zhǎng)軸約67.5mm、短軸約42mm，中心區(qū)域線狀損傷長(zhǎng)約15mm、寬約6mm。

試樣2電流按A→B→C→D施加。雷擊試驗(yàn)后試樣施加電流表面損傷嚴(yán)重，背面區(qū)域出現(xiàn)可見損傷，雷擊試驗(yàn)后的試樣2如圖5所示。試樣2雷擊區(qū)域正面可觀察到較大面積破損，雷擊區(qū)域背面可觀測(cè)到較小的圓形損傷。正面可目視觀測(cè)的破損為類似圓形，直徑約為70mm，背面能觀測(cè)到的損傷為近似橢圓形，長(zhǎng)邊約42mm、短邊約35mm。

圖4 試樣1圖片F(xiàn)ig.4 Photo of sample 1

圖5 試樣2圖片F(xiàn)ig.5 Photo of sample 2

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用德國(guó)AT公司生產(chǎn)的IRNDT紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由熱像儀、熱激勵(lì)裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。熱激勵(lì)裝置對(duì)試樣表面進(jìn)行熱加載，熱像儀采集加載過程及降溫過程中的表面熱輻射量變化，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集到的熱輻射量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以得到表面的熱輻射量差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊后試樣內(nèi)部損傷的檢測(cè)。設(shè)備組成如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)設(shè)備Fig.6 Test equipment

3.2 試驗(yàn)過程

為保證待檢試樣整體在檢測(cè)視野范圍內(nèi)，根據(jù)試樣尺寸擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)距離。

由于碳纖維復(fù)合材料熱擴(kuò)散系數(shù)較小、厚度較薄，試驗(yàn)采用鹵素?zé)魺峒?lì)方式進(jìn)行熱加載，熱加載類型為長(zhǎng)脈沖持續(xù)加載，根據(jù)待檢材料類型選擇加載能量與加載時(shí)間，利用紅外熱像儀對(duì)試樣表面進(jìn)行熱輻射量采集。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

對(duì)試樣進(jìn)行熱激勵(lì)加載后，利用熱像儀采集加載過程中與加載結(jié)束后試件表面的溫度場(chǎng)變化狀況，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，選擇能夠反映內(nèi)部損傷的熱圖，并對(duì)圖像進(jìn)行分析，得到內(nèi)部損傷顯示。

表1 檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試樣1進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，選擇正面為紅外檢測(cè)面，利用瞬態(tài)紅外熱成像方法進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分計(jì)算，檢測(cè)得到不同時(shí)刻一階微分顯示圖像，如圖7所示。

圖7為不同時(shí)刻損傷的一階微分顯示結(jié)果，損傷區(qū)域以黑色顯示，說明在原始熱圖中輻射亮度較高的區(qū)域，對(duì)應(yīng)缺陷的熱傳導(dǎo)性能較差，為空氣隙類缺陷。激勵(lì)加載后，試樣中間區(qū)域先是出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的橢圓形損傷顯示（圖7（a））；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，中間的“十”字形損傷逐漸顯現(xiàn)（圖7（b）），損傷外延范圍也開始出現(xiàn)；隨著時(shí)間繼續(xù)增加，中間的“十”字形損傷依然存在（圖7（c）），而外延損傷區(qū)域的對(duì)比度逐漸降低。邊緣為向外延伸的大面積損傷顯示，其形狀輪廓基本保持一致，但對(duì)比度較小。

圖7 試樣1檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Test result of sample 1

隨著時(shí)間增加，所檢測(cè)到的損傷深度逐漸增加，中間橢圓形損傷為雷擊試驗(yàn)的接觸點(diǎn)，其最先顯現(xiàn)。該位置損傷距離上表面最近，且損傷最為嚴(yán)重，中間“十”字形區(qū)域損傷較為嚴(yán)重，周圍的外延損傷隨著深度的增加程度逐漸減小。

對(duì)已知長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)定后對(duì)損傷區(qū)域的尺寸進(jìn)行測(cè)量（圖8），整體損傷區(qū)域的長(zhǎng)邊測(cè)量值為84.14mm，短邊測(cè)量值為74.38mm。將檢測(cè)結(jié)果尺寸與目視可見尺寸進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)出的損傷面積大于目視可見損傷面積，說明在試件表面以下存在內(nèi)部損傷。

圖8 試樣1定量測(cè)量結(jié)果Fig.8 Measure result of sample 1

可見，無論是否對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面進(jìn)行防護(hù)，是否改變雷擊試驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c參數(shù)，均會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生損傷，利用瞬態(tài)紅外熱成像方法能夠有效對(duì)損傷進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)試樣2進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，選擇背面為紅外檢測(cè)面。在不同時(shí)刻的顯示結(jié)果，如圖9所示。

圖9 試樣2檢測(cè)結(jié)果圖Fig.9 Test result of sample 2

圖5所示的試樣2背面外觀圖中僅能觀測(cè)到一個(gè)近橢圓形小空洞，而在圖9所示的檢測(cè)結(jié)果中紅線所包圍的區(qū)域?yàn)閮?nèi)部損傷區(qū)域，其長(zhǎng)邊長(zhǎng)度約為102.53mm，短邊長(zhǎng)度約為88.06mm，中心區(qū)域有一顏色較深的近圓形損傷顯示，可以看出內(nèi)部損傷的面積遠(yuǎn)大于目視可見的損傷尺寸，且中心區(qū)域的損傷程度較邊緣區(qū)域更為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本文采用瞬態(tài)紅外熱成像方法對(duì)經(jīng)雷擊直接效應(yīng)試驗(yàn)的碳纖維復(fù)合材料層壓板進(jìn)行了無損檢測(cè)試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：

（1）瞬態(tài)紅外熱成像方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷擊后碳纖維層壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部脫粘損傷的有效檢測(cè)。

（2）通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果時(shí)間序列進(jìn)行分析，不同時(shí)刻點(diǎn)損傷顯示存在差異，表明不同深度內(nèi)損傷程度存在差異。

（3）在不同時(shí)刻損傷區(qū)域中，中心位置的損傷程度最為嚴(yán)重，損傷的形狀與面積在不同深度有所不同。向外延伸的損傷，其損傷程度較小，且面積不會(huì)隨著深度的不同而發(fā)生明顯改變。

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