飛機(jī)復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)原位超聲檢測(cè)技術(shù)

王 丹, 寧 寧, 樊俊鈴, 詹紹正

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

復(fù)合材料作為新一代的航空材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞性能好、性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于整體成型及制備有靈活性和易加工性等優(yōu)點(diǎn)。目前已成為與鋁合金、鋼、鈦合金并駕齊驅(qū)的四大飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料之一，其中碳纖維樹(shù)脂基增強(qiáng)復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)在航空、航天的應(yīng)用最為廣泛，其應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志[1]。

層壓板是由兩層或兩層以上的薄層纖維材料黏結(jié)而成的產(chǎn)品。作為增強(qiáng)材料的纖維，可以按不同方向排布，其尺寸和形狀也可以改變，從而可以設(shè)計(jì)制作具有不同性能的復(fù)合材料。目前層壓板結(jié)構(gòu)已由最簡(jiǎn)單的層壓平板形式向大厚度、大型曲面，多拐角結(jié)構(gòu)發(fā)展。

但碳纖維層板結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，存在層間強(qiáng)度低、抗壓能力弱等缺點(diǎn)，容易在載荷作用、外來(lái)物撞擊和環(huán)境影響下產(chǎn)生分層、沖擊和雷擊等損傷，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性。因此，為了確保層板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和裝機(jī)應(yīng)用安全，在其設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)、服役(維修)過(guò)程中，要求對(duì)其進(jìn)行100%且可靠的無(wú)損檢測(cè)[2]。

目前，應(yīng)用于碳纖維層板無(wú)損檢測(cè)方法有超聲[3-4]、諧振[5]、紅外[6-7]和激光剪切散斑[8-9]等技術(shù)。但對(duì)于層板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、損傷特征、檢測(cè)要求和檢測(cè)環(huán)境等而言，超聲檢測(cè)技術(shù)是目前一種主要的無(wú)損檢測(cè)方法，在產(chǎn)品制造過(guò)程中，檢測(cè)自動(dòng)化更易實(shí)現(xiàn)，所以噴水對(duì)穿、水浸等超聲C掃描檢測(cè)方法完全取代人工超聲脈沖反射法；但在試驗(yàn)和使用階段，受檢測(cè)環(huán)境影響，很多自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備無(wú)法實(shí)施，手動(dòng)超聲脈沖反射法成為主要的檢測(cè)手段[4]，因此需要開(kāi)展A型顯示超聲脈沖反射法檢測(cè)技術(shù)研究，為強(qiáng)度試驗(yàn)和外場(chǎng)復(fù)材層板結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)實(shí)施提供技術(shù)支持。

為此，首先對(duì)超聲波在層板結(jié)構(gòu)中的反射和透射行為進(jìn)行了理論分析，揭示A型顯示超聲脈沖反射法在復(fù)材層板結(jié)構(gòu)中的檢測(cè)原理；其次針對(duì)層板結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，可能出現(xiàn)的分層、沖擊和雷擊等損傷，開(kāi)展A型顯示超聲脈沖反射法檢測(cè)技術(shù)研究，最后建立碳纖維層板結(jié)構(gòu)典型損傷的脈沖反射超聲信號(hào)特征圖譜，實(shí)現(xiàn)損傷的定性和定量評(píng)價(jià)。

1 碳纖維層板結(jié)構(gòu)A型顯示超聲脈沖反射法檢測(cè)原理

對(duì)多鋪層復(fù)合材料層板進(jìn)行脈沖反射法超聲檢測(cè)，聲波垂直入射到材料中后，在上鋪層Z1與下鋪層Z3間的界面Z2上產(chǎn)生聲波的反射與透射，界面的聲壓反射率r和透射率t(t=1+r)大小不僅與各介質(zhì)的聲阻抗Z1、Z2和Z3有關(guān)，而且還同界面層的厚度d與其中傳播的波長(zhǎng)λ之比有關(guān)[10]。

(1)

式(1)中：Z1和Z3為上、下鋪層聲阻抗；Z2為上、下鋪層之間界面的聲阻抗；d為界面層厚度；λ為界面層的波長(zhǎng)；r為界面的聲壓反射率。

(2)

當(dāng)復(fù)合材料層板結(jié)構(gòu)滿足以上兩點(diǎn)，且沒(méi)有缺陷/損傷時(shí)，一定頻率的超聲波垂直入射進(jìn)入該層板內(nèi)部，不會(huì)在復(fù)合材料層間界面產(chǎn)生時(shí)域可分辨反射回波信號(hào)，僅在層板表面和底面形成超聲反射回波P和B，如圖1(a)所示，超聲波從層板表面?zhèn)鞑サ降酌娴臅r(shí)間為t。

(3)當(dāng)層壓板內(nèi)部存在缺陷/損傷時(shí)，超聲波途徑缺陷/損傷區(qū)，會(huì)形成新的反射界面，其垂直方向聲壓反射系數(shù)與缺陷/損傷的性質(zhì)有關(guān)。

(3)

式(3)中：vD為缺陷/損傷區(qū)介質(zhì)的聲速；ρD為缺陷/損傷區(qū)介質(zhì)的密度；vC為復(fù)合材料的聲速；ρC為復(fù)合材料的密度。

對(duì)于層板結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，可能出現(xiàn)的分層、沖擊和雷擊損傷等，內(nèi)含物主要是空氣或真空，即vDρD?vCρC，r≈-1，此時(shí)垂直入射聲波將會(huì)產(chǎn)生近似絕對(duì)反射。

因此，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部存在缺陷/損傷時(shí)，圖1(b)為超聲脈沖反射法典型A型顯示示意圖。即在始波P和底波B之間會(huì)形成缺陷/損傷回波D，通過(guò)提取始波信號(hào)P和D之間的試件信息tD，可以確定缺陷在復(fù)合材料中深度[13-14]：

圖1 A型脈沖反射法超聲檢測(cè)示意圖Fig.1 The ultrasonic detection characteristic map of A-type pulse reflection method for the specimen with damage

(4)

式(4)中：tD為超聲波從層板表面?zhèn)鞑サ饺毕?損傷界面處的時(shí)間。

2 超聲脈沖反射法檢測(cè)技術(shù)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的選擇

檢測(cè)系統(tǒng)主要包括超聲檢測(cè)儀和探頭，正確選擇檢測(cè)設(shè)備，對(duì)確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性，保證超聲檢測(cè)工作的質(zhì)量，十分必要。飛機(jī)復(fù)材層板結(jié)構(gòu)厚度通常在10 mm以下，有的結(jié)構(gòu)甚至不大于1 mm，避免在近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)、減少表面盲區(qū)和提高縱向檢測(cè)分辨率是檢出各層間損傷的關(guān)鍵，也是檢測(cè)系統(tǒng)選擇的重要依據(jù)。所以，超聲檢測(cè)儀應(yīng)具備發(fā)射脈沖窄、寬頻帶接收電路等性能；檢測(cè)探頭應(yīng)選擇窄脈沖、高阻尼、高分辨力性能的寬帶延遲探頭。

2.2 對(duì)比試塊設(shè)計(jì)要求

復(fù)合材料檢測(cè)中使用的對(duì)比試塊主要用來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性與可重復(fù)性，調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度，驗(yàn)證上下表面檢測(cè)分辨率和評(píng)估缺陷。復(fù)合材料的物理性質(zhì)存在較大的離散性，因此，復(fù)合材料檢測(cè)用的對(duì)比試塊必須采用與受檢件的原材料、鋪層及固化工藝、厚度和表面狀態(tài)相同的材料制作[2]。

層壓板服役損傷形式主要有分層和沖擊/雷擊損傷，對(duì)比試塊的人工損傷形式應(yīng)最大程度模擬相關(guān)損傷自然性質(zhì)或特征。對(duì)于結(jié)構(gòu)邊緣部位的分層可以采用在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋入表面涂脫模劑的金屬箔片(如厚度為20～25 μm不銹鋼片或黃銅片)，固化后將金屬箔片抽出，最終形成的空氣隙來(lái)模擬，如圖2(a)、圖2(b)所示。圖2(b)中，人工損傷①：模擬邊緣分層；形式：預(yù)埋不銹鋼片，固化后抽出，邊緣加以密封；位置：從上表面算起，位于第2～3層。人工損傷②：模擬邊緣分層；形式：預(yù)埋不銹鋼片，固化后抽出，邊緣加以密封；位置：位于兩中心層之間。人工損傷③：模擬邊緣分層；形式：預(yù)埋不銹鋼片，固化后抽出，邊緣加以密封；位置：從下表面算起，位于第2～3層。非邊緣部位的分層可以采用多層同樣厚度(單層厚度不大于0.05 mm)、圓周(或四周)閉合、中間帶有空氣隙的聚四氟乙烯薄膜模擬，如圖2(c)所示。圖2(c)中，人工損傷④：模擬分層；形式：放置聚四氟乙烯膜；位置：從上表面算起，位于第2～3層。人工損傷⑤：模擬分層；形式：放置聚四氟乙烯膜；位置：位于兩中心層之間。人工損傷⑥：模擬分層；形式：放置聚四氟乙烯膜；位置：從下表面算起，位于第2～3層。此外，對(duì)于一定厚度的層板結(jié)構(gòu)，也可以采用在探測(cè)面的背面加工平底孔的方式模擬分層，如圖2(d)所示。圖2(d)中，人工損傷⑦：模擬分層；形式：背面鉆銑平底孔；位置：盡可能接近上表面。人工損傷⑧：模擬分層；形式：背面鉆銑平底孔；位置：位于兩中心層之間。人工損傷⑨：模擬分層；形式：背面鉆銑平底孔；位置：盡可能接近下表面。

a、b為人工損傷的尺寸，其大小應(yīng)包括要求檢出的特定深度下的最小損傷；H表示對(duì)比試塊的厚度，其大小應(yīng)為被檢結(jié)構(gòu)最厚位置處的尺寸圖2 層合板結(jié)構(gòu)模擬分層的人工損傷設(shè)計(jì)參考圖Fig.2 Artificial damage design reference drawing for simulating delamination in the laminates

若層板鋪層數(shù)不多時(shí)，可以采用不同鋪層數(shù)的厚度模擬不同鋪層處的分層損傷，如圖3所示。沖擊/雷擊損傷可以通過(guò)沖擊/雷擊試驗(yàn)引入損傷來(lái)模擬，也可以采用不同鋪層數(shù)的厚度模擬不同鋪層處的沖擊/雷擊分層損傷，如圖3所示。

圖3 層合板結(jié)構(gòu)模擬沖擊/雷擊損傷的人工缺陷設(shè)計(jì)參考圖Fig.3 Artificial defect design diagram for simulating impact and lightning damage

人工損傷的尺寸應(yīng)至少包含要求檢出的特定深度下的最小損傷尺寸，這也是檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)。

2.3 層壓板超聲檢測(cè)信號(hào)特征及損傷評(píng)定

通過(guò)對(duì)比試塊模擬損傷超聲回波信號(hào)，與真實(shí)損傷檢測(cè)結(jié)果比對(duì)分析，總結(jié)出層壓板結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中產(chǎn)生的以下幾種損傷的超聲檢測(cè)信號(hào)特征圖譜。

2.3.1 損傷定性

(1)無(wú)損傷：無(wú)損傷時(shí)，層板結(jié)構(gòu)的表面反射波和底面一次反射波之間沒(méi)有其他反射回波出現(xiàn)(圖4)。

圖4 無(wú)損傷時(shí)，層板結(jié)構(gòu)超聲信號(hào)特征圖Fig.4 The ultrasonic signal characteristic diagram of the laminate without damage

(2)分層：當(dāng)層板內(nèi)出現(xiàn)近表面分層損傷，且損傷面積大于晶片直徑時(shí)，沒(méi)有底波顯示，只有緊靠上表面的多次損傷反射波[圖5(b)]；探頭中心移至損傷的邊緣時(shí)損傷波幅高度降低了一半，此時(shí)損傷波與底波同時(shí)出現(xiàn)[圖5(c)]。

圖5 層板近上表面分層超聲信號(hào)特征圖Fig.5 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the delamination in the subsurface of the laminate

當(dāng)層板內(nèi)出現(xiàn)中間分層損傷時(shí)，圖6(b)為探頭位于損傷范圍內(nèi)的波形，損傷波顯示的位置與損傷的埋藏深度相對(duì)應(yīng)，損傷多次回波以等距離間隔出現(xiàn)，無(wú)底波顯示；圖6(c)為探頭中心位于損傷邊緣，損傷波幅度降至一半高度，底波幅度上升并與二次損傷反射波疊合，顯示的波形較寬。

圖6 層板近中間分層超聲信號(hào)特征圖Fig.6 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the delamination in the middle of the laminate

當(dāng)層板內(nèi)出現(xiàn)近底面分層損傷時(shí)，圖7(b)為探頭位于損傷范圍內(nèi)的波形，損傷波反射波位于底面位置稍前處，無(wú)底波顯示；圖7(c)為探頭中心位于損傷邊緣，損傷波幅降低至1/2高度，并與底波相鄰在一起，顯示的波形較寬。

圖7 層板近底面分層超聲信號(hào)特征圖Fig.7 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the delamination in the bottom of the laminate

(3)沖擊/雷擊損傷：對(duì)于沖擊/雷擊后的層板結(jié)構(gòu)，一般會(huì)在表面留下沖擊/雷擊凹坑，但內(nèi)部都屬于沿厚度方向不同埋深、平面分布相互重疊擴(kuò)展的分層損傷[圖8(a)]。由于上部的分層損傷會(huì)遮擋下部分層損傷，超聲檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)上部的分層和下面未遮擋部位的分層，而無(wú)法探測(cè)出遮擋部分的損傷形貌。因此，當(dāng)探頭位于沖擊損傷上方時(shí)，不同層的損傷回波會(huì)連在一起，顯示的波形較寬，底波消失[圖8(b)～圖8(d)]。

圖8 層板沖擊/雷擊損傷超聲信號(hào)特征圖Fig.8 The ultrasonic signal characteristic diagrams of the impact and lightning damage

2.3.2 損傷定量

在復(fù)合材料制件的接觸式超聲檢測(cè)中，小于探頭有效聲束直徑的損傷，采用與同深度對(duì)比試塊中人工缺陷比較的方法確定；大于探頭聲束直徑的損傷，采用半波高法評(píng)定損傷大小。

通常復(fù)材損傷尺寸多大于探頭有效聲束直徑，實(shí)際檢測(cè)中多采用半波高法評(píng)定損傷，半波高度法具體做法是：移動(dòng)探頭找到損傷最大反射波后，調(diào)節(jié)增益使其達(dá)到一定波高并作為基準(zhǔn)波，然后沿?fù)p傷不同方向移動(dòng)探頭，當(dāng)損傷基準(zhǔn)波高降低為1/2時(shí)，記錄探頭中心位置，最后將所有方向的中心位置連接起來(lái)就是損傷的輪廓，并按要求記錄損傷的尺寸。對(duì)于沖擊/雷擊損傷的多層重疊分層損傷，損傷邊界處在不同層，損傷基準(zhǔn)波難以確定，所以通常選擇位于探頭遠(yuǎn)場(chǎng)的底面回波為基準(zhǔn)波進(jìn)行測(cè)量[15-16]。

3 結(jié)論

飛機(jī)服役過(guò)程中，復(fù)材層板結(jié)構(gòu)原位檢測(cè)多采用A型顯示垂直入射超聲縱波脈沖反射法，為保證服役損傷準(zhǔn)確檢出和正確評(píng)定，得出以下結(jié)論。

(1)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的入射聲波脈沖寬度窄，不僅可以減少檢測(cè)表面盲區(qū)，提高縱向檢測(cè)分辨率高，而且可以避免在聲波近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)，這是確保出現(xiàn)在各個(gè)層間界面的損傷能夠被檢出的關(guān)鍵，也是選擇合適超聲儀和檢測(cè)探頭的依據(jù)。

(2)人工缺陷是對(duì)比試塊設(shè)計(jì)要求中主要考慮因素。通常采用預(yù)置聚四氟乙烯膜或在背面轉(zhuǎn)銑平底孔的方法來(lái)模擬分層損傷，沖擊/雷擊損傷可以通過(guò)沖擊/雷擊試驗(yàn)引入損傷來(lái)模擬，此外，分層和沖擊/雷擊損傷也可以采用不同鋪層數(shù)的厚度模擬不同鋪層處的分層損傷。人工缺陷的尺寸應(yīng)至少包含要求檢出的特定深度下的最小損傷尺寸，缺陷的位置綜合考慮檢測(cè)上、下表面分辨力，檢測(cè)儀器時(shí)基線的調(diào)整等因素。

(3)結(jié)合超聲信號(hào)特征圖譜，對(duì)損傷進(jìn)行定性分析；采用半波高法進(jìn)對(duì)損傷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，當(dāng)用半波高度法評(píng)定沖擊損傷時(shí)，選擇位于探頭遠(yuǎn)場(chǎng)的底面回波作為基準(zhǔn)波進(jìn)行測(cè)量。