碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料表面隱身厚涂層對(duì)超聲波檢測的影響

李燕平 呂曉雷 王云飛 廖可 李文輝

摘 要：針對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料表面隱身結(jié)構(gòu)的厚涂層將對(duì)超聲波檢測的影響，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)方案，模擬復(fù)合材料在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的缺陷，并制作了相應(yīng)的試驗(yàn)板加以驗(yàn)證。使用該方案可以得到在不同種類漆層、不同厚度漆層對(duì)超聲波檢測的影響大小。結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料表面噴涂隱身涂層體系后，用超聲波探傷預(yù)埋的各處缺陷發(fā)現(xiàn)試塊底波衰減很明顯，對(duì)小于φ3mm聚四氟乙烯薄膜缺陷無法判別。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；隱身涂料；超聲波探傷

中圖分類號(hào)：V267+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0114-02

Abstract： In view of the influence of the thick coating of the stealthy structure on the surface of carbon fiber reinforced resin matrix composites on ultrasonic testing， a set of test scheme is designed to simulate the defects of carbon fiber reinforced resin matrix composites in practical use. And the corresponding test board is made to verify it. By using this scheme， the influence of different kinds of paint layers and different thickness paint layers on ultrasonic testing can be obtained. The results show that after spraying the stealthy coating system on the surface of carbon fiber reinforced resin matrix composites， it is found that the bottom wave attenuation of the specimen is obvious， and it is impossible to distinguish the defects of polytetrafluoroethylene film smaller than φ 3mm.

Keywords： composite material； stealthy coating； ultrasonic flaw detection

1 概述

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于具有重量輕、強(qiáng)度高、剛性強(qiáng)、耐磨損且易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，因此在航空飛行器上得到極為廣泛的應(yīng)用。然而碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受制造工藝等因素影響會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，如空隙、分層、脫膠等；裝配過程中，在外載作用下也會(huì)出現(xiàn)損傷，常見損傷有分層、脫膠、表面劃傷、錯(cuò)鉆孔、孔邊損傷、沖擊損傷、雷擊損傷、戰(zhàn)傷、裂紋、燃燒等[1]。無論是受制造工藝的生產(chǎn)缺陷還是裝配過程中帶來的機(jī)械損傷都會(huì)使飛機(jī)結(jié)構(gòu)受損、表面氣動(dòng)性能下降，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用壽命降低。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在航空飛行器上應(yīng)用中，由于受到振動(dòng)、外來物損傷等環(huán)境因素的影響，易出現(xiàn)層板分層、劃傷、脫膠、斷裂、進(jìn)水、蜂窩芯壓塌等問題。其中，分層及脫膠是較為常見的缺陷[2]。在后期航空飛行器使用過程中，復(fù)合材料受到的沖擊逐漸加大，當(dāng)機(jī)組人員真正目視到其所受的損傷時(shí)，其內(nèi)部實(shí)際上已開始分崩離析，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，將可能造成質(zhì)量事故，因此加強(qiáng)對(duì)航空復(fù)合材料的無損檢測極為重要。

超聲波檢測技術(shù)屬于應(yīng)用較為廣泛的無損檢測技術(shù)，其實(shí)用性極強(qiáng)[3]。超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要為：穿透性極強(qiáng)，對(duì)平面型缺陷的探查較為靈敏準(zhǔn)確，且整個(gè)檢測操作安全可靠，可幫助實(shí)現(xiàn)自主化檢測。但不可否認(rèn)的是，該檢測技術(shù)在應(yīng)用中還存在著部分不足。如對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的缺陷檢測難度較大，且常需運(yùn)用耦合劑將探頭、被測構(gòu)件之間的空隙填充完整[4]。應(yīng)用此技術(shù)，可準(zhǔn)確檢測出復(fù)合材料的常見缺陷，如疏松、分層、孔隙等，因此，被全面應(yīng)用于航空領(lǐng)域的制造維護(hù)工作中。

由于當(dāng)前先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)為提高雷達(dá)隱身效果，常采用涂覆雷達(dá)吸波材料進(jìn)行雷達(dá)隱身。而涂覆的隱身涂層反射率與涂層的厚度密切相關(guān)，在某些頻段范圍內(nèi)，涂層未達(dá)到臨界厚度時(shí)，隨著涂層厚度的增加，涂層整體反射率變好。因此，航空飛行器表面涂覆涂料種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、且隱身涂層較厚，一般可達(dá)500um。然而，隨著復(fù)合材料基體表面的涂層變厚，超聲波檢測探頭與被測復(fù)合材料距離增大，測試環(huán)境趨于復(fù)雜，將給超聲波檢測復(fù)合材料缺陷造成影響，為掌握，研究了多層結(jié)構(gòu)隱身厚涂層在對(duì)超聲波檢測的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

CCF300/QY9511碳纖維預(yù)浸料、42-Cu84A銅網(wǎng)、H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、導(dǎo)電涂料、雷達(dá)吸波涂料、紅外吸波面漆、聚四氟乙烯薄膜。

2.2 測試儀器

普通漆層厚度測試儀：德國EPK公司的MiniTest 600B型測厚儀；

吸波涂層厚度測試儀：北京恒星研制的FT-150型涂層測厚儀；

復(fù)合材料無損檢測儀：汕頭SIUI公司CTS-9008型數(shù)字超聲波探傷儀。

2.3 試驗(yàn)件制備要求

制備編號(hào)為M1的CCF300/QY9511碳纖維復(fù)合材料試板，該試板尺寸為200mm×150mm×1.5mm；鋪層為[45/90/-45/0/0/0]s；復(fù)合材料層壓板表面需鋪貼一層42-Cu84A銅網(wǎng)。試板鋪貼過程中，預(yù)制12處缺陷試塊固化要求按Q/ZHFC 1204.6-2011《QY9511樹脂基復(fù)合材料 第八部分 CCF300/QY9511預(yù)浸料》制造。試板固化后用超聲波A掃進(jìn)行疏松、分層、孔隙等無損檢測。

2.4 試驗(yàn)件噴涂

CCF300/QY9511碳纖維復(fù)合材料試板在銅網(wǎng)表面依次按相應(yīng)施工工藝噴涂H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、導(dǎo)電漆、TB06-9底漆、雷達(dá)吸波涂料、TB06-9底漆和紅外吸波面漆。

3 檢測結(jié)果與分析

為驗(yàn)證在無損檢測條件下每層涂料對(duì)復(fù)材中缺陷的影響，制備了圖號(hào)為M1復(fù)材層壓板，預(yù)制12處缺陷，缺陷1～4在靠近試塊上表面（銅網(wǎng)面）的第三層，缺陷5～8位于試塊中間，缺陷9～12在靠近試塊下表面的第三層。缺陷1、5、9、3、7、11鋪貼為一層聚四氟乙烯膜，缺陷2、6、10、4、8、12鋪貼為兩層聚四氟乙烯膜。缺陷在試片中的位置如圖1所示。

M1復(fù)材層壓板試驗(yàn)件相應(yīng)要求進(jìn)行噴涂，先后共經(jīng)過8次噴涂，該試塊及每噴涂一層漆后進(jìn)行超聲波檢測。用CTS-9008型數(shù)字超聲波探傷儀對(duì)預(yù)埋的各處缺陷進(jìn)行檢查，9次超聲波探傷檢測結(jié)果見表1所示。

根據(jù)無損檢測缺陷數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：（1）M1復(fù)材層壓板在噴涂導(dǎo)電層之前，按圖1要求依次噴涂了H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆，隨著基材表面漆層的增加，缺陷波高有所提高。這可能是工件表面不平滑度造成的，由于復(fù)合材料表面鋪貼了銅網(wǎng)，而銅網(wǎng)存在一定厚度（51um），造成試板表面凹凸不平。隨著漆膜層數(shù)增加，漆層厚度變厚，試板凹凸表面被填平，超聲波探傷效果變好，缺陷波高有所提高。（2）M1復(fù)材層壓板在按圖1要求噴涂至導(dǎo)電層后，超聲波探傷預(yù)埋的各處缺陷發(fā)現(xiàn)底波衰減比較明顯，下降2-3dB。說明導(dǎo)電涂層對(duì)超聲波探傷影響較大，可能是由于導(dǎo)電涂層較厚（60um）且存在大量金屬離子造成的。（3）M1復(fù)材層壓板在按圖1要求噴涂至雷達(dá)吸波隱身涂層后，超聲波探傷預(yù)埋的各處缺陷發(fā)現(xiàn)底波衰減非常明顯，下降7-8dB。說明雷達(dá)吸波隱身涂層對(duì)超聲波探傷影響非常大，可能是由于噴涂的雷達(dá)吸波隱身涂層較厚（500um）且存在大量金屬離子造成的。（4）M1復(fù)材層壓板按要求噴涂的涂層體系（依次噴涂H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、導(dǎo)電漆、TB06-9底漆、雷達(dá)吸波涂料、TB06-9底漆和紅外吸波面漆）后，用超聲波探傷預(yù)埋的各處缺陷發(fā)現(xiàn)試塊底波衰減很明顯，提高檢測靈敏度后，12處缺陷仍可以被檢測出來。其中預(yù)埋的一層和兩層聚四氟乙烯薄膜缺陷，用超聲波探傷得出的結(jié)果無明顯差別，無法區(qū)分。對(duì)比監(jiān)控傷波波高發(fā)現(xiàn)，φ3mm的缺陷波高為60%時(shí)，雜波波高最高達(dá)到30%，缺陷和雜波沒有明顯區(qū)分開，不易分辨。如采用監(jiān)控底波衰減的辦法來判斷是否有缺陷，探頭直徑為6mm，探頭放置在3mm缺陷上底波只降低50%，探頭不停在掃查，底波衰減一晃而過，人眼不容易發(fā)現(xiàn)。反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如不告訴試塊上有缺陷，則φ3mm的缺陷手工掃查容易漏檢。

4 結(jié)束語

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓板表面噴涂隱身涂層體系后，用超聲波探傷預(yù)埋的各處缺陷發(fā)現(xiàn)試塊底波衰減很明顯。在預(yù)知缺陷位置后，提高檢測靈敏度，12處缺陷仍可以被檢測出來，但無法區(qū)分預(yù)埋缺陷中聚四氟乙烯薄膜的層數(shù)，用人工掃查方式對(duì)φ3mm聚四氟乙烯薄膜缺陷判斷困難、容易漏檢。

參考文獻(xiàn)：

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