復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理高分辨率超聲斷面成像檢測(cè)與缺陷評(píng)估*

劉菲菲，周正干，劉松平，楊玉森，張連旺

（1.北京航空航天大學(xué)，北京100191；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京100024；3.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300）

隨著復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1-2]，復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)的研究和應(yīng)用受到高度關(guān)注。通常要求復(fù)合材料制件必須進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)，而超聲是目前普遍采用的一種無(wú)損檢測(cè)方法，相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也比較多，包括超聲C掃描檢測(cè)方法[3-5]、超聲Lamb 波[6-8]和導(dǎo)波檢測(cè)方法研究[9]、激光超聲檢測(cè)方法[10]等。但很少涉及復(fù)合材料修理檢測(cè)與評(píng)估。

試驗(yàn)研究表明，復(fù)合材料在長(zhǎng)期受力情況下，存在產(chǎn)生疲勞和分層的風(fēng)險(xiǎn)[11-12]。因此，隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上的大量使用和服役年限的增長(zhǎng)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷案例不斷增加，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的技術(shù)焦點(diǎn)。由于修理材料、修理工藝、環(huán)境條件等與制造階段復(fù)合材料基體結(jié)構(gòu)顯著不同，導(dǎo)致一些在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造環(huán)境條件下所研究和建立的檢測(cè)方法、檢測(cè)技術(shù)、缺陷表征方法、缺陷判據(jù)不能完全適用于復(fù)合材料修理檢測(cè)。因此，近年來(lái)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理無(wú)損檢測(cè)與評(píng)定受到越來(lái)越多的關(guān)注。文獻(xiàn)[13-15]介紹了利用紅外熱成像方法進(jìn)行復(fù)合材料修理?yè)p傷的檢測(cè)試驗(yàn)研究，但這種檢測(cè)方法需要復(fù)雜的熱加載和精確地控制熱加載量以及熱加載的均勻性，制件表面的顏色變化也容易產(chǎn)生偽指示，導(dǎo)致深層損傷和缺陷的檢出能力非常受限，難以得到檢出損傷或缺陷的準(zhǔn)確定量定性方面的信息。Choi 等[16]針對(duì)復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)試樣中沖擊引起的分層損傷，研究了電子散斑干涉（Electronic speckle pattern interferometry，ESPI）檢測(cè)方法對(duì)試樣中分層損傷的可檢性。文獻(xiàn)[17]研究了GRP 復(fù)合材料中沖擊損傷ESPI 可檢性，也需要對(duì)被檢測(cè)試樣進(jìn)行熱或力加載，使損傷的存在能夠引起試樣表面可檢出的面外位移或應(yīng)變，缺陷檢出效果強(qiáng)烈依賴(lài)加載和加載量的準(zhǔn)確控制，但同樣難以檢出深層損傷和缺陷，難以實(shí)現(xiàn)檢出損傷或缺陷的準(zhǔn)確定量定性。利用低能量X 射線方法，雖然可以很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)與缺陷評(píng)估[18-19]，但在修理?xiàng)l件下，通常不適合采用X 射線檢測(cè)方法，而且X 射線方法對(duì)復(fù)合材料中的分層檢出困難。文獻(xiàn)[20]采用脈沖回波激光超聲方法，研究了復(fù)合材料修理檢測(cè)與缺陷評(píng)估的可檢性，但激光超聲在檢測(cè)信號(hào)接收技術(shù)方面一直沒(méi)能取得理想的突破，嚴(yán)重制約了這種方法的工程實(shí)用性研發(fā)與推進(jìn)。文獻(xiàn)[21-22]針對(duì)復(fù)合材料修理試樣開(kāi)展了Lamb波檢測(cè)方面的試驗(yàn)研究，但由于飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何特征會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的導(dǎo)波模式轉(zhuǎn)換，從而容易產(chǎn)生偽指示信號(hào)，影響缺陷的判別，Lamb 波在復(fù)合材料中的衰減非常嚴(yán)重和較低的頻率，明顯制約了Lamb 波的缺陷檢出能力和導(dǎo)波在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其修理中的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用。

綜上，超聲是一種非常適合復(fù)合材料及復(fù)合材料損傷與修理區(qū)檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法。但超聲檢測(cè)需要首先建立缺陷判據(jù)，為此，必須通過(guò)高質(zhì)量的超聲檢測(cè)系統(tǒng)，在復(fù)合材料修理區(qū)形成高質(zhì)量的超聲信號(hào)，既要有足夠的穿透能力，又要有很好的分辨率和很小的表面檢測(cè)盲區(qū)。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造階段，為了提高聲波在復(fù)合材料中的穿透能力、規(guī)避超聲檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，可以采用穿透法和/或者適當(dāng)降低檢測(cè)頻率，但這會(huì)降低入射聲波對(duì)小缺陷的檢出能力和檢測(cè)分辨率，同時(shí)在修理階段，通常超聲穿透法不適用。因此，文獻(xiàn)[4-5]介紹的一些面向制造階段的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)方法，不適合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理檢測(cè)，但為復(fù)合材料修理檢測(cè)研究提供了方法參考。

針對(duì)碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理，研究了一種高分辨率超聲（High-resolution ultrasonic，HU）檢測(cè)方法，利用發(fā)射單元向被檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理區(qū)發(fā)射高分辨率超聲波，然后，接收來(lái)自修理區(qū)的超聲回波，轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的超聲信號(hào)，用于修理區(qū)檢測(cè)與缺陷準(zhǔn)確評(píng)估。基于HU 方法，構(gòu)建了高分辨率超聲檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制備了碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)修理試樣，開(kāi)展了系列的HU方法試驗(yàn)研究和HU 斷面成像試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，利用HU 方法，可以在復(fù)合材料修理試件中產(chǎn)生高質(zhì)量的超聲回波信號(hào)，極大地改善了檢測(cè)信號(hào)的時(shí)域可分辨性、成像質(zhì)量、分辨率和檢測(cè)效果；利用HU 斷面成像，可以快速準(zhǔn)確地揭示復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理區(qū)斷面修理行為細(xì)節(jié)，確定修理區(qū)的斷面幾何形貌、修理界面及其幾何拓?fù)涮卣鳎沂拘蘩韰^(qū)不同深度和位置的缺陷及其分布、修理區(qū)內(nèi)部樹(shù)脂及其分布行為、基體鋪層行為等細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的準(zhǔn)確檢測(cè)與缺陷精細(xì)評(píng)估，從而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理提供了一種非常適用的高分辨率超聲可視化檢測(cè)與評(píng)估方法。

HU 方法與試件

1 檢測(cè)方法和超聲系統(tǒng)

在其他條件一定時(shí)，理論上，提高超聲波的頻率，有利于改進(jìn)檢測(cè)分辨率和減少表面檢測(cè)盲區(qū)，如圖1所示，對(duì)于頻率為fn的超聲波，在單周條件下時(shí)，其時(shí)域占寬可近似地表示為：

圖1 反射聲波信號(hào)的頻率、時(shí)域占寬對(duì)表面盲區(qū)、分辨率的影響Fig.1 Effect of echo signal frequency and time-domain width on ultrasonic detection surface dead zone and resolution

圖1 中Δh表示近表面深度范圍；tn表示聲波信號(hào)單個(gè)周期時(shí)域占寬；t表示聲波傳播時(shí)間；1 表示入射聲波信號(hào)；2 表示來(lái)自試樣表面的聲波反射信號(hào)；3 表示來(lái)自試樣底面的聲波反射信號(hào)；4 表示來(lái)自試樣近表面Δh內(nèi)的缺陷回波信號(hào)。

當(dāng)來(lái)自試樣近表面深度范圍Δh內(nèi)的缺陷回波信號(hào)4 正好位于來(lái)自試樣表面的聲波反射信號(hào)2 的時(shí)域占寬范圍tn內(nèi)時(shí)，會(huì)造成在時(shí)域范圍內(nèi)難以分辨回波信號(hào)2 和4，從而影響Δh范圍內(nèi)的缺陷識(shí)別與檢出，同樣的情況在試樣的底面也會(huì)出現(xiàn)，由式（1）和圖1 可知， Δh可近似表示為：

其中，υ為試樣中的聲速。由式（1）、（2）和圖1 可知，在N=1 的條件下，考慮到當(dāng)來(lái)自試樣近表面Δh內(nèi)的缺陷回波信號(hào)4 與來(lái)自試樣表面的聲波反射信號(hào)2 出現(xiàn)半波長(zhǎng)疊加時(shí)的可分辨性時(shí)，時(shí)域上具有可分辨性，參見(jiàn)圖1，這里可以近似地取

其中，λ為聲波在復(fù)合材料中的波長(zhǎng)；N為回波信號(hào)時(shí)域周期數(shù)，無(wú)量綱。

在非常極限情況下，取N=1，則表面盲區(qū)約為入射聲波的1/4 個(gè)波長(zhǎng)，例如，以單個(gè)鋪層厚度約0.125 mm 碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)和實(shí)際測(cè)量的聲速3106m/s 為例，如果要達(dá)到分辨出近表面單個(gè)鋪層深度的缺陷，即Δh≈0.125mm，則由式（3）可知，所選用的超聲波波長(zhǎng)約為0.25mm，對(duì)應(yīng)頻率約為6.2MHz。但頻率的提高會(huì)顯著增加聲衰減，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成超聲不可檢。因此，在其他條件一定時(shí)，減少N是提高超聲在復(fù)合材料中的檢測(cè)分辨率、降低盲區(qū)的重要途徑。

為此，研究提出了一種N=1 的高分辨率超聲檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的高分辨率超聲可視化檢測(cè)與評(píng)估。超聲檢測(cè)系統(tǒng)采用中國(guó)航空制造技術(shù)研究院/中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司劉松平、劉菲菲團(tuán)隊(duì)研制的CUS-21J 超聲掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)成試驗(yàn)研究用的復(fù)合材料修理高分辨率超聲檢測(cè)系統(tǒng)，它主要由超聲單元、信號(hào)處理單元、掃描機(jī)構(gòu)、掃描控制單元、計(jì)算機(jī)單元和FJ-1 換能器等構(gòu)成，如圖2所示（其中對(duì)1、2、3、4 的描述同圖1），其中，通過(guò)FJ-1 換能器和超聲單元產(chǎn)生單個(gè)脈沖周期的高分辨率波形信號(hào)。通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)掃描方式移動(dòng)FJ-1 換能器，實(shí)現(xiàn)對(duì)修理區(qū)不同位置的超聲信號(hào)記錄和采集以及超聲成像，換能器與試樣表面之間可以選擇水膜耦合，也可以采用噴水或局部液浸耦合，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的手動(dòng)和自動(dòng)掃描檢測(cè)。其中超聲單元、信號(hào)處理單元可以構(gòu)成便攜的超聲儀器，也可以獨(dú)立地用于外場(chǎng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的超聲手動(dòng)掃查檢測(cè)與評(píng)估。

圖2 HU 超聲檢測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.2 Scheme of HU set-up

2 試件

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理試件采用多向?qū)訅航Y(jié)構(gòu)，試件中含有修理區(qū)，在修理區(qū)預(yù)置有模擬分層，采用手工鋪貼，熱壓罐固化成型，試件的材料為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的9916-II/CCF300 預(yù)浸料，厚度約4.5mm，試件大小約350mm×320mm；試件的修理補(bǔ)片用材料為T(mén)C350-1/IM7，構(gòu)成與基體結(jié)構(gòu)相一致的多向鋪層層壓結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)厚度約4.5mm（36 個(gè)鋪層），修理用膠膜厚度約0.13mm。首先在試件中心位置制備帶坡口的圓錐形修理區(qū)，其一側(cè)的直徑φ1約280mm，另一側(cè)的直徑φ2約100mm，如圖3所示，然后，按照修理區(qū)的大小和形狀制備補(bǔ)片，在基體修理區(qū)錐形破口表面放置有膠膜，使補(bǔ)片通過(guò)膠膜與基體結(jié)構(gòu)保持貼合，最后，將整個(gè)試件一起采用真空袋密封進(jìn)行固化，在補(bǔ)片、補(bǔ)片中近表面一個(gè)鋪層位置F1、近底面一個(gè)鋪層位置F3和中間深度位置F2分布預(yù)置有φ6mm 的分層缺陷。

圖3 復(fù)合材料試件和修理試件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of repair specimen

試驗(yàn)結(jié)果與討論

1 HU 信號(hào)時(shí)域表征與分析

圖4 是一組來(lái)自復(fù)合材料修理試件中4 個(gè)不同部位檢測(cè)位置點(diǎn)的典型超聲回波信號(hào)，采用NU、 HU兩種模式，對(duì)應(yīng)頻率均為5MHz。圖4 中，是在HU 模式下依次來(lái)自試件非修理區(qū)表面、底面及底面的反射回波信號(hào)，是的二次反射；是在HU 模式下分別來(lái)自試件修理補(bǔ)片中心區(qū)表面、近表面和底面的反射回波信號(hào)；是HU 模式下分別來(lái)自試件修理連接界面區(qū)表面、近表面和底面的反射回波信號(hào)；是在NU 模式下依次來(lái)自試件非修理區(qū)表面、底面及底面的反射回波信號(hào)，是的二次反射回波信號(hào)。

圖4 來(lái)自復(fù)合材料修理試件的HU 和NU 超聲回波信號(hào)特征比較Fig.4 Comparison of echo signals from repair specimen using HU and NU modes

圖4（a）～（c）是HU 模式下的超聲結(jié)果，其中圖4（a）是來(lái)自修理試件中非修理區(qū)的典型超聲回波信號(hào)；圖4（b）是來(lái)自修理試件中修理補(bǔ)片中心區(qū)的典型超聲回波信號(hào)；圖4（c）是來(lái)自修理試件中修理界面區(qū)的典型超聲回波信號(hào)；圖4（d）是NU 模式下的超聲結(jié)果，來(lái)自修理試件中非修理區(qū)的典型超聲回波信號(hào)。從圖4（a）中的信號(hào)特征可以非常清晰地看出，在HU 模式下，（1）在時(shí)域上呈現(xiàn)單周特性，可以看出，此時(shí)N=1，λ≈ 0.62mm（測(cè)量聲速約為3106m/s），tn≈ 0.24us，tN≈ 0.24μs，考慮到N= 1 條件下的時(shí)域可分辨性，對(duì)應(yīng)的Δh≈ 0.186mm，而根據(jù)式（2）可知，Δh≈ 0.155mm，即此時(shí)，表面盲區(qū)可以接近單個(gè)鋪層厚度（0.125mm），因此，在圖4（a）中，與在時(shí)域上呈現(xiàn)非常好的時(shí)域可分辨性，利用與之間的時(shí)間差（約2.90us），可以估測(cè)出試件的厚度約4.5mm，與試件的設(shè)計(jì)厚度4.5mm 非常吻合；（2）從的高質(zhì)量時(shí)域可分辨性可以看出，來(lái)自的二次反射信號(hào)，表面入射聲波在試件中非修理區(qū)具有很好的穿透性；（3）如果試件內(nèi)部沒(méi)有缺陷，將會(huì)在試件中產(chǎn)生足夠明顯的及其二次反射。

相比圖4（a）中HU 的結(jié)果，圖4（d）是在常規(guī)超聲（Normal ultrasonic，NU）模式下來(lái)自修理試件中非修理區(qū)的典型超聲回波信號(hào)，從圖4（d）中的信號(hào)特征可以非常清晰地看出，在NU 模式下，在時(shí)域上呈現(xiàn)明顯的多周特性，例如，的N接近5個(gè)周期數(shù)，對(duì)應(yīng)時(shí)域占寬約1.68μs，對(duì)應(yīng)的Δh≈ 2.61mm，為HU 模式下的的Δh（0.186mm）的14 倍，可見(jiàn)，NU 模式下，一旦脫粘出現(xiàn)在試件近表面和底面深度位置時(shí)，漏檢的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)急劇增加，不過(guò)，在NU模式下，聲波的穿透能力會(huì)更強(qiáng)些（參照）。因此，在保證聲波穿透能力的情況下，選擇HU 模式更適合復(fù)合材料修理的超聲檢測(cè)與缺陷準(zhǔn)確評(píng)估，其他復(fù)合材料超聲檢測(cè)也適合這一原則?；贖U 方法和高質(zhì)量的回波信號(hào)，對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理的可視化檢測(cè)與精細(xì)評(píng)估非常有益。

2 面成像分析

圖5 為來(lái)自試件修理區(qū)的超聲斷面掃描成像（即試件某個(gè)斷面的B -掃描）結(jié)果，成像質(zhì)量非常高，采用HU 模式，橫坐標(biāo)單位為mm，表示修理區(qū)沿其中一個(gè)截面的寬度；縱坐標(biāo)表示聲波在試件厚度方向傳播的時(shí)間，單位為μs，它代表均一化后的時(shí)間顯示刻度，與聲波在耦合介質(zhì)和試件中的聲速有關(guān)。圖5（a）中NR1、NR2 分別對(duì)應(yīng)試件中左右兩側(cè)非修理區(qū)，RB1、RB2 分別對(duì)應(yīng)左右兩側(cè)修理界面區(qū)，CR 為修理中心區(qū)，分別對(duì)應(yīng)NR1 區(qū)表面和底面；分別對(duì)應(yīng)CR 區(qū)表面和底面；分別對(duì)應(yīng)RB1 區(qū)表面和底面；對(duì)應(yīng)RB1 區(qū)修理膠接連接界面，是的二次反射；分別對(duì)應(yīng)RB2 區(qū)表面和底面；對(duì)應(yīng)RB2 區(qū)膠接連接界面，是的二次反射分別對(duì)應(yīng)NR2 區(qū)表面和底面；F1為試件中補(bǔ)片近表面1 個(gè)鋪層深的分層，F(xiàn)2為試件中補(bǔ)片中間深度位置的分層，F(xiàn)3對(duì)應(yīng)試件中補(bǔ)片近底面1 個(gè)鋪層深的分層；R1為補(bǔ)片內(nèi)部局部樹(shù)脂。

圖5 試件修理區(qū)的HU 斷面成像結(jié)果Fig.5 Ultrasonic cross-section imaging result of specimen repaired area using HU mode

圖5（a）中超聲成像結(jié)果可以分為3部分：（1）非修理區(qū)，即NR1 和NR2 對(duì)應(yīng)的圖像部分；（2）補(bǔ)片/基體之間的修理界面連接區(qū)，RB1 和RB2 對(duì)應(yīng)的圖像部分；（3）修理中心區(qū)，CR 對(duì)應(yīng)的圖像部分。在NR1 和NR2 區(qū)可以看到對(duì)應(yīng)試件表面、底面的圖像顯示，即和所標(biāo)示的白色條狀灰度分布區(qū)，NR1和NR2 對(duì)應(yīng)的圖像分布表明，來(lái)自試件表面和底面的灰度分布非常清晰，其姿態(tài)的分布反映了試件表面的平整度，這與圖4（a）中的超聲回波信號(hào)時(shí)域特性完全一致，即在HU 模式，回波信號(hào)的時(shí)域可分辨性好，且具有單周特性，從而使超聲成像結(jié)果特別清晰，因此，對(duì)于復(fù)合材料超聲檢測(cè)，回波信號(hào)的時(shí)域特性尤為重要，例如，在NR1 區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)缺陷時(shí)，對(duì)應(yīng)缺陷的成像灰度將會(huì)清晰地分布在和之間，從而會(huì)使缺陷識(shí)別更加容易和準(zhǔn)確。在NR1 和NR2區(qū)靠近試件上半部分，出現(xiàn)了非常微弱的少量的平行于的淺亮色灰度帶狀灰度分布，反映的是試件內(nèi)部的層間界面，由于聲波衰減原因，來(lái)自試件下部分的層間反射幾乎消失，因而在對(duì)應(yīng)試件下部分的斷面圖像中，看不到淺亮色灰度帶狀灰度分布。最重要和有特色的成像特征是在修理區(qū)，包括RB1 區(qū)、RB2 區(qū)和CR 區(qū)；首先是在RB1 區(qū)、RB2 區(qū)，試件表面出現(xiàn)了“山峰”型的高亮度條帶型灰度分布，即和所標(biāo)示的灰度分布，從修理區(qū)邊緣開(kāi)始上升，在修理膠接界面與補(bǔ)片通孔的邊緣結(jié)束，左右對(duì)稱(chēng)分布，這一成像灰度分布特征反映了在修理邊緣和修理通孔的修理行為和修理區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，因?yàn)樵谛蘩韰^(qū)，從基體表面到修理區(qū)存在輕微的幾何過(guò)渡區(qū)，同理從膠接界面到補(bǔ)片通孔邊緣也存在輕微的幾何過(guò)渡區(qū)，因而在修理區(qū)的試件表面出現(xiàn)了“凹”型高亮度條帶狀灰度分布，即所標(biāo)示的灰度分布；其次，在RB1 區(qū)、RB2 區(qū)，修理連接界面出現(xiàn)了向下的“瀑布”型的高亮度條帶狀灰度分布，位于補(bǔ)片兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，即和所標(biāo)示的灰度分布，這一成像灰度分布特征非常形象地反映了修理膠接界面幾何特征，而且從和所對(duì)應(yīng)的白色條帶狀灰度圖像特征可以清晰看出，入射聲波不僅穿透了修理膠接界面，而且有足夠明顯的聲波到達(dá)修理區(qū)試件的底波，還出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的二次反射灰度指示（和所指示的倒“八”字形帶狀淺亮色灰度帶），也表明和所標(biāo)示的灰度分布不是來(lái)自修理界面的脫黏，而是正常修理膠接行為所致。最為重要的圖像灰度分布特征之一是出現(xiàn)在RB1、RB2 區(qū)的高亮“白斑”，即F1、F2、F3所標(biāo)示的“白斑”，依次對(duì)應(yīng)修理區(qū)的3 個(gè)φ6mm的預(yù)置分層缺陷，從“白斑”分布特征可以看出，F(xiàn)1靠近修理區(qū)試件的上表面，F(xiàn)2靠近修理區(qū)試件的中間深度位置，F(xiàn)3靠近修理區(qū)試件的底面位置，這與試件中F1位于修理區(qū)近表面一個(gè)鋪層深度位置、F2位于修理區(qū)中間深度位置、F3位于修理區(qū)近底面一個(gè)鋪層深度位置完全一致，只是在橫坐標(biāo)方向的尺寸不完全一樣，這與其所處的超聲斷層成像的截面位置有關(guān)；F1、F2、F3另一個(gè)非常顯著的特征是，下面均存在超聲“陰影”，即白色箭頭所指示的垂直方向的矩形黑色灰度帶所示，這是因?yàn)槿肷渎暡ㄔ诜謱又車(chē)a(chǎn)生反射引起的，也表明如果修理區(qū)存在缺陷，會(huì)在缺陷后面形成超聲“陰影”，而在膠接界面和所指示的高亮度“瀑布”型條帶狀后面則沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似的超聲“陰影”，也表明和是來(lái)自修理區(qū)膠接界面的聲波反射，而不是膠接界面缺陷指示；同樣的道理，可以判斷R1所指示的“白斑”區(qū)是來(lái)自修理補(bǔ)片內(nèi)部的樹(shù)脂反射，而不是缺陷指示。因此，根據(jù)超聲斷面成像中的灰度分布行為，可以清晰地進(jìn)行修理界面的表征、修理缺陷的判別，也可以確定檢出缺陷在修理區(qū)深度的分布細(xì)節(jié)；利用這種HU 成像方法，還可以揭示修理區(qū)、修理界面、缺陷在試件厚度方向的拓?fù)淝闆r。

圖5（b）是試件修理區(qū)另一相鄰斷面位置的超聲斷面成像結(jié)果F1、F2的描述同圖5（a），R2為補(bǔ)片內(nèi)部局部樹(shù)脂），與圖5（a）中的斷面位置相差2mm，復(fù)合材料修理行為（同圖5（a））包括修理區(qū)形貌、修理連接界面、補(bǔ)片區(qū)等在斷面方向的幾何拓?fù)淝闆r同樣非常清晰可見(jiàn)外，相比圖5（a）的成像結(jié)果，圖5（b）最為顯著的圖像分布變化是：（1）F1變得更加明顯，F(xiàn)2變小，F(xiàn)3消失，這表明F1主方向位于該截面位置，F(xiàn)2逐步離開(kāi)此截面位置，F(xiàn)3離開(kāi)了此截面位置；（2）R1消失，而R2出現(xiàn)了，表明R1幾何尺寸很小，此時(shí)已經(jīng)不在該截面位置，而R2所指示的樹(shù)脂區(qū)出現(xiàn)在了當(dāng)前截面位置。因此，采用HU 斷面成像方法，可以直觀地揭示修理區(qū)及其修理區(qū)缺陷的幾何拓?fù)浼?xì)節(jié)，這對(duì)于修理區(qū)的準(zhǔn)確檢測(cè)與缺陷精細(xì)評(píng)估，掌握修理區(qū)的修理行為，制定合理的修理工藝非常有益。

圖5（c）是試件修理區(qū)另一斷面位置的HU 斷面成像結(jié)果（NR1、的描述同圖5（a），R3為補(bǔ)片內(nèi)部局部樹(shù)脂），除了與圖5（a）和（b）中的斷面成像結(jié)果一樣，復(fù)合材料修理行為包括修理區(qū)形貌、修理連接界面、補(bǔ)片區(qū)等在斷面方向的幾何拓?fù)淝闆r同樣非常清晰可見(jiàn)外，也能清晰地看到NR1 和NR2 區(qū)基體中的鋪層形態(tài)，如圖5（c）中白色箭頭所指示的淺白色波紋狀條線灰度分布所示，但圖5（c）最為顯著的圖像分布變化是F1、F2、F3消失，這是因?yàn)樾蘩韰^(qū)缺陷不在當(dāng)前成像截面位置。從圖5（a）～（c）中可以清晰地看出，在修理區(qū)補(bǔ)片內(nèi)部的樹(shù)脂分布明顯比基體中的樹(shù)脂分布多，而且呈現(xiàn)顯著的離散分布特征，如圖5（c）中橢圓形白色虛線所標(biāo)示的白斑分布所示，此外，鋪層形態(tài)也不如試件基體中清晰，這跟基體材料及其成型工藝條件與修理用補(bǔ)片材料及其工藝條件密切有關(guān)。因此，采用HU 斷面成像方法，還可以直觀地揭示修理區(qū)與基體之間的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化，這對(duì)選擇合適的修理材料和制定合理的修理工藝非常有指導(dǎo)意義。

3 修理效果評(píng)估

圖4 結(jié)果表明，在單脈沖周期條件下，利用來(lái)自復(fù)合材料修理部位的超聲回波信號(hào)及其變化規(guī)律，可以進(jìn)行修理區(qū)的修理效果評(píng)估，在非修理部位，的幅值會(huì)明顯增加，這里，i=1，2，3。例如，在非修理區(qū)，的幅值約為11.76dB（圖4（a））；在修理補(bǔ)片區(qū)，的幅值約為-9.84dB（圖4（b））；在修理區(qū)連接界面區(qū)，

利用圖5 中的成像結(jié)果與特征，可以進(jìn)行復(fù)合材料修理區(qū)的修理效果評(píng)估，在非修理區(qū)，和呈現(xiàn)清晰、高亮圖形學(xué)特征，這里用ε0表示，ε0形態(tài)變化平緩（與實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有關(guān)）；而在修理區(qū)，會(huì)出現(xiàn)“山峰”圖形學(xué)特征（用ε1表示）、“凹形”圖形學(xué)特征（用ε2表示）、“瀑布”圖形學(xué)特征（用ε3表示）、超聲“陰影”圖形學(xué)特征（用ε4表示），而且，ε1、ε2、ε3、ε4與ε0呈現(xiàn)顯著不同圖形學(xué)特征。因此，基于εk（這里k= 0，1，2，3，4）及其圖形學(xué)與灰度分布，可以實(shí)現(xiàn)修理區(qū)的修理效果評(píng)估，即在其他條件一定時(shí)，ε1越趨向ε0的圖形特征，修理效果越好；ε2和ε3圖形學(xué)特征越弱化，修理效果越好；出現(xiàn)ε4圖形學(xué)特征，表示修理界面存在缺陷，亦表明修理效果不好。因此，在單周脈沖特性條件下，基于修理區(qū)的超聲成像特征所呈現(xiàn)出來(lái)的圖形學(xué)規(guī)律，通過(guò)構(gòu)建相應(yīng)的圖形學(xué)修理函數(shù)將可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理效果的確切評(píng)估，目前正在開(kāi)展相關(guān)的建模和試驗(yàn)驗(yàn)證研究。

結(jié)論

（1）不同頻率模式脈沖聲波在碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料修理試件中具有顯著不同的時(shí)域信號(hào)特征，在HU 模式下，回波信號(hào)的時(shí)域占寬達(dá)到0.186mm，接近單個(gè)復(fù)合材料修理鋪層厚度，從而使HU 方法的表面檢測(cè)盲區(qū)和分辨率達(dá)到單個(gè)復(fù)合材料修理鋪層厚度（約0.125mm），非常有利于復(fù)合材料修理區(qū)的缺陷準(zhǔn)確檢測(cè)和精細(xì)評(píng)估，基于HU 回波信號(hào)時(shí)域行為，其厚度方向的評(píng)估結(jié)果與復(fù)合材料修理試件的設(shè)計(jì)值之間最小偏差接近0。

（2）利用HU 斷面超聲成像，可以更加直觀和準(zhǔn)確地揭示復(fù)合材料修理行為，包括未修理區(qū)、修理界面、修理區(qū)形貌、修理區(qū)缺陷、局部樹(shù)脂及其分布、修理區(qū)微結(jié)構(gòu)特征等幾何拓?fù)浼?xì)節(jié)，這對(duì)于復(fù)合材料修理的準(zhǔn)確檢測(cè)與缺陷精細(xì)評(píng)估，優(yōu)化修理工藝、改善修理行為、最大限度恢復(fù)復(fù)合材料修理結(jié)構(gòu)使用性能、確保復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全服役等，具有十分重要的作用和益處。采用HU 斷面成像，可以非常直觀和清晰地檢出復(fù)合材料修理區(qū)近表面一層和近底面一層及其中間深度位置的φ6mm 缺陷、局部樹(shù)脂及其在修理區(qū)的分布細(xì)節(jié)，成像分辨率可達(dá)單個(gè)復(fù)合材料鋪層厚度（～ 0.125mm）。

（3）在單脈沖周期條件下，利用來(lái)自復(fù)合材料修理部位的超聲回波信號(hào)及其變化規(guī)律，可以進(jìn)行修理區(qū)的修理效果評(píng)估；在非修理區(qū)超聲成像的圖形學(xué)特征變化平緩，而在修理區(qū)，會(huì)出現(xiàn)“山峰”、“凹形”、“瀑布”、超聲“陰影”等圖形學(xué)特征，根據(jù)超聲斷面成像所形成的這些圖形學(xué)特征，可以進(jìn)行復(fù)合材料修理區(qū)的修理效果評(píng)估，從而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理區(qū)的精細(xì)表征和修理缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)與評(píng)估提供了一種非常有效的方法，目前已經(jīng)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)修理中得到了很好的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用。

致謝

該項(xiàng)研究中的試驗(yàn)設(shè)備與試樣的制備由中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料中心和中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司提供，相關(guān)的試驗(yàn)研究在復(fù)合材料中心檢測(cè)與評(píng)估試驗(yàn)室完成，在此表示衷心的感謝。