先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)纖維屈曲超聲檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展*

徐桂榮，馬騰飛，李 洋，肖 鵬，周正干

（1.航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150066；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué)寧波創(chuàng)新研究院，寧波 315800；4.中國(guó)商飛復(fù)合材料中心，上海201324）

復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高、剛度大、抗顫振能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、機(jī)匣、風(fēng)扇葉片等重要結(jié)構(gòu)[1]。受制造工藝、使用環(huán)境等因素影響，復(fù)合材料內(nèi)部可能存在分層、氣孔、夾雜、脫粘、孔隙等多種形式缺陷，直接影響結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和使用安全性。對(duì)于采用鋪層工藝制備的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）層合結(jié)構(gòu)，除上述類型缺陷外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注由纖維屈曲缺陷引起的材料力學(xué)性能失效。

纖維屈曲缺陷也稱褶皺缺陷，由碳纖維預(yù)浸料固化成型時(shí)碳纖維的彎曲變形引起，包括面外和面內(nèi)兩類，其中，面外缺陷的幾何形態(tài)如圖1（a）所示，表現(xiàn)為厚度方向上多個(gè)碳纖維層的整體幾何彎扭；面內(nèi)缺陷的幾何形態(tài)如圖1（b）所示，表現(xiàn)為碳纖維層平面內(nèi)碳纖維絲偏離預(yù)先設(shè)定的走向。

圖1 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)纖維屈曲缺陷Fig.1 Fiber buckling defects of CFRP

纖維屈曲缺陷的存在對(duì)結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能具有嚴(yán)重影響，研究數(shù)據(jù)表明[2]，纖維屈曲缺陷的產(chǎn)生概率負(fù)相關(guān)于層合結(jié)構(gòu)件的厚度，3°左右的纖維屈曲缺陷將誘發(fā)約 74%的抗壓強(qiáng)度降低，5°左右的纖維屈曲缺陷將誘發(fā)約 90%的疲勞壽命降低，10°左右的纖維屈曲缺陷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件具有超過(guò)20%的抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)。在過(guò)去，為避免由纖維屈曲缺陷導(dǎo)致的飛行器重大安全事故，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)結(jié)果往往具有較大的截面厚度冗余，此時(shí)，纖維屈曲缺陷的產(chǎn)生概率及其影響區(qū)域范圍將因結(jié)構(gòu)件厚度的增大而得到有效抑制。然而，為了滿足日益復(fù)雜的使用需求，在不影響承載能力等性能指標(biāo)的前提下降低飛行器的耗油量，近年來(lái)，具有小厚度冗余的薄壁輕量化層合結(jié)構(gòu)件在航空工業(yè)領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用，此時(shí)，纖維屈曲缺陷的產(chǎn)生將難以避免。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)件內(nèi)部在全壽命周期中可能產(chǎn)生的纖維屈曲缺陷，需要制定適用于纖維屈曲缺陷的無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法。

X 射線CT 檢測(cè)圖像能夠精確、清晰顯示碳纖維層的幾何形態(tài)以及碳纖維絲的走向，是最直觀、有效的纖維屈曲缺陷無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法[3]。然而，X 射線CT 對(duì)被測(cè)試件尺寸、外形、檢測(cè)環(huán)境等條件具有較高的要求，只能用于尺寸較小、幾何外形較規(guī)則的試片，對(duì)于尺寸較大、幾何外形較為不規(guī)則的碳纖維層合結(jié)構(gòu)件，航空工業(yè)領(lǐng)域更傾向于采用超聲無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)來(lái)成像和定量纖維屈曲缺陷。超聲無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)利用聲波與聲阻抗不連續(xù)界面作用后產(chǎn)生的反射/透射聲波A 型信號(hào)表征試件內(nèi)部缺陷；利用機(jī)械掃查裝置帶動(dòng)超聲換能器沿試件表面做柵格C 掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大尺寸、不規(guī)則結(jié)構(gòu)件的全覆蓋檢測(cè)；利用B型、C 型檢測(cè)圖像顯示試件內(nèi)部缺陷的實(shí)際分布狀況。在航空工業(yè)領(lǐng)域，超聲檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)評(píng)價(jià)分層、氣孔、夾雜等碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷[4-7]。與上述典型缺陷不同，纖維屈曲缺陷并不產(chǎn)生新的聲阻抗突變界面，與超聲波作用后產(chǎn)生的反射信號(hào)往往被當(dāng)作“背景干擾噪聲”，如何從中提取可用于成像及定量表征纖維屈曲缺陷的超聲信號(hào)特征是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。

近年來(lái)，為了滿足航空工業(yè)對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)件纖維屈曲缺陷的無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)需求，許多學(xué)者及企業(yè)對(duì)纖維屈曲缺陷的超聲無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)開(kāi)展了一系列研究，取得了一些進(jìn)展。以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)件為對(duì)象，對(duì)上述研究進(jìn)展進(jìn)行綜述介紹。

纖維屈曲缺陷的超聲檢測(cè)原理

1 面外缺陷的超聲檢測(cè)原理

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)由多個(gè)具有不同纖維取向的碳纖維層按照一定順序堆疊固化形成，如圖2所示。相鄰碳纖維層間存在遠(yuǎn)小于鋪層厚度的層間樹(shù)脂，當(dāng)超聲波傳播至層間樹(shù)脂界面時(shí)，層間樹(shù)脂與碳纖維鋪層之間的聲阻抗差將導(dǎo)致微弱的層間反射。在檢測(cè)分層、氣孔、夾雜等碳纖維復(fù)合材料缺陷時(shí)，層間反射信號(hào)被當(dāng)作碳纖維復(fù)合材料的“背景噪聲”，制定檢測(cè)工藝時(shí)需要盡量抑制層間反射對(duì)上述缺陷回波信號(hào)產(chǎn)生的干擾。

圖2 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)Fig.2 Laminated structure of CFRP

當(dāng)超聲換能器從不存在面外纖維屈曲缺陷的區(qū)域（圖3 中的位置1）垂直于試件表面發(fā)射超聲波時(shí)，由于各碳纖維層厚度相等，相鄰層間反射回波的渡越時(shí)間具有恒定的差值。當(dāng)超聲換能器從存在面外纖維屈曲缺陷的區(qū)域（圖3 中的位置2）垂直于試件表面發(fā)射超聲波時(shí)，纖維屈曲缺陷的存在導(dǎo)致碳纖維層的厚度以及幾何形態(tài)同時(shí)發(fā)生變化，此時(shí)，層間反射回波將沿著非豎直方向傳播，相鄰層間反射回波的渡越時(shí)間不再具有恒定差值，與層間反射的產(chǎn)生深度有關(guān)。

圖3 面外缺陷的檢測(cè)原理示意Fig.3 Diagram of principle detecting out-of-plane fiber buckling defects

層間反射回波的渡越時(shí)間及傳播方向與碳纖維層的幾何形態(tài)存在緊密的聯(lián)系，波音公司根據(jù)上述現(xiàn)象提出了兩種基于層間反射信號(hào)的面外纖維屈曲缺陷的陣列超聲檢測(cè)評(píng)價(jià)方案。

方案1 采用0°電子線性掃描發(fā)射/接收超聲波，如圖4所示。利用電子線性掃描B 型顯示圖像中由層間反射產(chǎn)生的明暗相間條紋表征面外纖維屈曲缺陷，如圖5所示。明暗條紋之間的間距與層間反射信號(hào)之間的渡越時(shí)間差密切相關(guān)，反映了面外纖維屈曲對(duì)碳纖維層厚度的影響。由于忽略了面外纖維屈曲缺陷對(duì)層間反射回波傳播方向的影響，B 型顯示圖像中的條紋形狀與面外纖維屈曲缺陷的實(shí)際形態(tài)存在一定的偏差。為了解決這一問(wèn)題，波音公司在專利文件EP3537145A1 中給出了面外纖維屈曲缺陷尺寸測(cè)量結(jié)果的修正方法[8]。由于要求面外纖維屈曲缺陷處層間樹(shù)脂產(chǎn)生的層間反射幅值遠(yuǎn)大于無(wú)缺陷處層間樹(shù)脂產(chǎn)生的層間反射幅值，方案1 僅適用于檢測(cè)評(píng)價(jià)尺寸較大且被富樹(shù)脂區(qū)包圍的面外纖維屈曲缺陷。

圖4 面外纖維屈曲缺陷檢測(cè)方案1 的原理示意Fig.4 Principle of scheme 1 detecting out-of-plane fiber buckling defects

圖5 方案1 檢測(cè)結(jié)果B 型顯示圖像Fig.5 Ultrasonic B-scan images of scheme 1 detecting out-of-plane fiber buckling defects

方案2 采用偏置接收孔徑電子線性掃描發(fā)射/接收超聲波，該方案可以根據(jù)具體試樣和缺陷特征調(diào)整發(fā)射/接收超聲波的孔徑大小和相對(duì)距離。為了便于描述該方案的原理，采用相鄰單陣元晶片發(fā)射/接收超聲波，如圖6所示。接收陣元位于發(fā)射陣元兩側(cè)，且相對(duì)于發(fā)射陣元中心的距離相等。對(duì)于不存在面外纖維屈曲缺陷的區(qū)域，試樣內(nèi)部碳纖維層與陣列超聲換能器收/發(fā)面平行，聲波經(jīng)過(guò)平行碳纖維層界面垂直反射后，兩側(cè)接收陣元接收到的聲波能量基本相同。面外纖維屈曲部位碳纖維層相對(duì)于陣列超聲換能器收/發(fā)面傾斜，聲波經(jīng)過(guò)傾斜碳纖維層界面反射后，兩側(cè)接收陣元接收到的聲波能量不同。碳纖維層的面外彎曲將導(dǎo)致兩側(cè)陣元晶片所接收的層間反射回波幅值不同，該現(xiàn)象可用于表征面外纖維屈曲缺陷的某些尺寸，如褶皺缺陷寬度。圖7 給出了波音公司在專利文件US010126122B2 中記載的采用方案2 檢測(cè)的面外纖維屈曲缺陷成像結(jié)果[9]。圖7（a）為電子閘門卡在面外纖維屈曲缺陷某一處，兩側(cè)接收陣元幅值差C 型顯示圖像。圖7（b）為沿時(shí)間軸分段處理幅值差到面外纖維屈曲缺陷某一處時(shí)，幅值差累加值C 型顯示圖像。該方案主要利用C 型顯示圖評(píng)估面外纖維屈曲缺陷的寬度，以及利用幅值差評(píng)估面外纖維屈曲的傾斜角等。

圖6 面外纖維屈曲缺陷檢測(cè)方案2 的原理示意Fig.6 Principle of scheme 2 detecting out-of-plane fiber buckling defects

圖7 方案2 檢測(cè)結(jié)果C 型顯示圖像Fig.7 Ultrasonic C-scan images of scheme 2 detecting out-of-plane fiber buckling defects

2 面內(nèi)缺陷的超聲檢測(cè)原理

單個(gè)碳纖維層的體積百分?jǐn)?shù)并不恒定，沿垂直于碳纖維絲方向周期性變化，如圖8所示。由聲學(xué)原理可知，體積百分?jǐn)?shù)對(duì)超聲波傳播速度及能量的影響，將導(dǎo)致其C 掃描圖像呈現(xiàn)出微弱的周期性變化條紋，在一定程度上反映了碳纖維層內(nèi)碳纖維的走向趨勢(shì)，可用于表征面內(nèi)纖維屈曲缺陷。

圖8 單層碳纖維內(nèi)部體積百分?jǐn)?shù)分布規(guī)律Fig.8 Spatial distribution of fiber volume ratio in a laminae

Smith 等[10]基于上述原理實(shí)現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)塑料各碳纖維層纖維走向的C 型成像。為了使C 型圖像僅包含單個(gè)碳纖維層產(chǎn)生的超聲回波信息，C 型成像采用了寬度恰好等于單個(gè)碳纖維層厚度的電子閘門，其成像結(jié)果如圖9所示，其中存在明顯的碳纖維紋路。C 型圖像中的彎曲碳纖維紋路在一定程度上能夠反映層合結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的面內(nèi)纖維屈曲缺陷分布狀態(tài)。

圖9 碳纖維層纖維走向C 型成像結(jié)果Fig.9 Ultrasonic C-scan images of fiber directions in a laminae

超聲換能器參數(shù)選擇

由纖維屈曲缺陷檢測(cè)原理可知，層間反射信號(hào)的信噪比直接影響了面外/面內(nèi)纖維屈曲缺陷超聲檢測(cè)及評(píng)價(jià)的能力。為了最大化層間反射回波的能量，Smith 等[11]提出了基于半波共振的超聲換能器中心頻率選取準(zhǔn)則。假定碳纖維層的厚度為0.25mm，超聲波在碳纖維層中沿其法線方向的傳播速度為2900m/s，為了使層間反射回波發(fā)生半波共振，超聲波波長(zhǎng)應(yīng)為0.5mm，對(duì)應(yīng)的換能器中心頻率為5.9MHz。

在實(shí)際檢測(cè)中，為了使超聲波與一定厚度范圍內(nèi)的碳纖維層均能夠發(fā)生半波共振，超聲換能器應(yīng)具有較大的頻帶寬度，例如，Olympus 公司生產(chǎn)的Vedioscan 系列聚焦換能器，其頻帶寬度近似等于換能器的中心頻率。

Zhang 等[12]利用OnScale 云計(jì)算平臺(tái)建立了碳纖維層厚度為0.25 mm的CFRP 層合板有限元聲學(xué)仿真模型，仿真計(jì)算了不同中心頻率超聲波產(chǎn)生的層間反射回波信號(hào)，為了保證計(jì)算精度，仿真模型沿厚度方向的網(wǎng)格尺寸為3.33μm（小于1/3 層間樹(shù)脂厚度），仿真結(jié)果側(cè)面證實(shí)了利用半波共振法提升層間反射信號(hào)強(qiáng)度的可行性。

纖維屈曲缺陷超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的后處理方法

1 適用于面外缺陷的超聲檢測(cè)數(shù)據(jù) 后處理方法

超聲波在碳纖維復(fù)合材料中傳播時(shí)，聲波能量隨傳播深度迅速衰減，基于層間反射信號(hào)幅值的B 型顯示圖像只能用于檢測(cè)距離上表面較近的面外纖維屈曲缺陷。為了提升檢測(cè)深度，Smith 等[13]提出了基于層間反射瞬時(shí)相位的面外纖維屈曲缺陷B 型顯示成像新方法。假定層間反射信號(hào)表示為s（t），則層間反射信號(hào)的瞬時(shí)相位φ（t）可由式（1）計(jì)算。

其中，s^（t）為復(fù)數(shù)域信號(hào)；<*>為卷積運(yùn)算符；Arg 為復(fù)數(shù)幅角函數(shù)。由式（1）可知，瞬時(shí)相位φ（t）歸一化了超聲信號(hào)的幅值，不受檢測(cè)深度影響，與幅值相比，更適合用于纖維屈曲缺陷的檢測(cè)成像。Smith 等[14]提出了基于瞬時(shí)相位全聚焦成像方法，其成像結(jié)果如圖10（a）所示，與圖10（b）的基于幅值的全聚焦成像結(jié)果相比較可知，基于瞬時(shí)相位的全聚焦成像可探測(cè)出深度更深的層間樹(shù)脂，證明了基于瞬時(shí)相位成像方法的有效性。

圖10 碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)全聚焦成像結(jié)果Fig.10 Phase TFM images of CFRP

為了確定瞬時(shí)相位與纖維屈曲缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Pain 等[15]建立了一種適用于多層介質(zhì)的一維解析聲學(xué)模型，計(jì)算并分析了碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同界面產(chǎn)生的反射回波瞬時(shí)相位。假定上表面反射信號(hào)的瞬時(shí)相位為φ0，其分析結(jié)果表明[16]，層間樹(shù)脂反射信號(hào)的瞬時(shí)相位恰好為φ0- π/2，下表面反射信號(hào)的瞬時(shí)相位恰好為φ0- π，層間反射與上表面反射的瞬時(shí)相位差始終為π / 2。與層間反射信號(hào)的渡越時(shí)間不同，層間反射信號(hào)的瞬時(shí)相位并不受纖維屈曲缺陷影響。為了確定層間反射信號(hào)的渡越時(shí)間，利用以瞬時(shí)相位φ0- π / 2 為觸發(fā)值的電子閘門觸發(fā)瞬時(shí)相位信號(hào)，確定觸發(fā)點(diǎn)在B 型顯示圖像中對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)坐標(biāo)，順次連接像素點(diǎn)后生成的曲線恰好反映了層間樹(shù)脂界面的實(shí)際幾何外形。利用瞬時(shí)相位觸發(fā)閘門對(duì)層間樹(shù)脂界面的跟蹤結(jié)果（圖11 中的綠線），與基于幅值的B 型顯示成像結(jié)果（圖5）相比，利用瞬時(shí)相位信號(hào)能夠更加清晰地獲得試件全厚度范圍的面外纖維屈曲缺陷分布。

圖11 利用瞬時(shí)相位觸發(fā)閘門跟蹤層間樹(shù)脂的成像結(jié)果Fig.11 Images of mid-ply resin layers with ply-tracking gates on instantaneous phase

為了充分利用沿不同方向傳播的層間反射信號(hào)定量表征纖維屈曲缺陷，Pain 等[15]利用全矩陣數(shù)據(jù)重建了纖維屈曲缺陷的平均散射系數(shù)矩陣。散射系數(shù)矩陣記錄了沿不同方向入射的平面波與缺陷作用后產(chǎn)生的散射聲場(chǎng)空間分布規(guī)律，與采用-6dB 面積定量評(píng)價(jià)缺陷的方法相比，能夠更加準(zhǔn)確地表征幾何外形并非矩形或者圓孔的缺陷，被廣泛應(yīng)用于小于半波長(zhǎng)的金屬缺陷定量評(píng)價(jià)[17-18]。與圖12（a）給出的不存在缺陷區(qū)域的層間樹(shù)脂平均散射系數(shù)矩陣相比，圖12（b）～（d）給出了存在不同層數(shù)波動(dòng)的面外纖維屈曲缺陷處層間樹(shù)脂平均散射系數(shù)圖像，在虛線框所標(biāo)記區(qū)域存在較為明顯的幅值差異。面外纖維屈曲缺陷的波動(dòng)程度越大，虛線框區(qū)域內(nèi)散射系數(shù)取值就越大。

圖12 不同區(qū)域?qū)娱g樹(shù)脂的平均散射系數(shù)矩陣Fig.12 Average scattering coefficient matrix of inter-layer resins in different regions

2 適用于面內(nèi)缺陷的超聲檢測(cè)數(shù)據(jù) 后處理方法

為了從C 型圖像中自動(dòng)計(jì)算碳纖維的實(shí)際走向，Hsu 等[19]研究了基于角譜分布的纖維取向測(cè)量方法。首先，利用2D-FFT 將C 型圖像變換為角譜域圖像；然后，統(tǒng)計(jì)不同角度方向上角譜的平均取值，繪制以角度為自變量的角譜幅值分布函數(shù)；最后，取角譜幅值分布函數(shù)中的峰值所對(duì)應(yīng)的角度作為碳纖維的實(shí)際走向。圖13 給出了包含兩層碳纖維信息的C 型圖像所對(duì)應(yīng)的角譜圖像以及角譜幅值分布函數(shù)計(jì)算結(jié)果，由分布函數(shù)曲線可知，這兩層碳纖維的纖維走向分別為45°和135°，恰好相差了90°。

圖13 利用角譜分布測(cè)量碳纖維層纖維走向Fig.13 Fiber-direction determination based on angle spectrum distribution

Hsu 等[19]提出的方法只能估計(jì)出碳纖維層的整體纖維走向，為了確定每個(gè)C 型圖像像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的局部面內(nèi)走向，Nelson 等[20-21]研究了基于局部圖像算子的局部走向測(cè)量方法，圖像算子的測(cè)量結(jié)果被轉(zhuǎn)化為像素顏色映射于C 型圖像之上。對(duì)于包含了45°碳纖維走向的纖維層C型圖像（圖14（a）），利用Canny 算子、Gabor 算子以及Radon 變換所獲得的局部走向測(cè)量結(jié)果如圖14（b）～（d）所示，從測(cè)量結(jié)果圖像中可以看出，基于Radon 變換的測(cè)量結(jié)果精度最高，抗干擾能力最強(qiáng)，最適合用于面內(nèi)纖維屈曲缺陷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

圖14 利用局部圖像算子測(cè)量碳纖維局部走向的結(jié)果圖像Fig.14 Local fiber-direction determination by local image operator

為了同時(shí)獲取碳纖維在面內(nèi)和面外方向上的走向信息，Nelson 等[22]結(jié)合瞬時(shí)相位數(shù)據(jù)以及梯度算子，提出了一種利用圖像結(jié)構(gòu)張量（Structure tensor）測(cè)量碳纖維空間走向的新方法，結(jié)構(gòu)張量是尺寸為3×3 的矩陣，存儲(chǔ)了三維標(biāo)量場(chǎng)的二階梯度信息，對(duì)于三維瞬時(shí)相位場(chǎng)數(shù)據(jù)φ（x，y，z），其結(jié)構(gòu)張量場(chǎng)S（x，y，z）可表示為：

式中，Gτ是標(biāo)準(zhǔn)差取值為τ的高斯函數(shù)；<*>為卷積運(yùn)算符。由于瞬時(shí)相位存在周期性，直接根據(jù)定義計(jì)算的偏導(dǎo)數(shù)結(jié)果存在周期性突變。為解決這一問(wèn)題，利用鏈?zhǔn)椒▌t將對(duì)瞬時(shí)相位偏導(dǎo)數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)化為對(duì)瞬時(shí)相位三角函數(shù)偏導(dǎo)數(shù)的計(jì)算，其計(jì)算公式為：

Neslon 等[22]認(rèn)為，碳纖維的空間走向可利用結(jié)構(gòu)張量最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量方向表征，圖15給出了利用結(jié)構(gòu)張量對(duì)碳纖維在面外方向上角度的測(cè)量結(jié)果圖像。

圖15 碳纖維在面外方向上走向的結(jié)構(gòu)張量測(cè)量結(jié)果Fig.15 Out-of-plane ply angle map measured by image structure tensor

當(dāng)前存在的不足及未來(lái)發(fā)展

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料纖維屈曲缺陷超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究雖已取得一定的進(jìn)展，但在以下方面仍然存在明顯不足：

（1）在聲學(xué)機(jī)理方面，用于分析纖維屈曲缺陷聲學(xué)規(guī)律的仿真模型建模難度較大、計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，目前尚無(wú)面外纖維屈曲缺陷對(duì)層間樹(shù)脂反射聲波傳播方向影響以及面內(nèi)屈曲缺陷對(duì)超聲波能量衰減的研究報(bào)道，利用非垂直方向傳播層間反射信號(hào)的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法無(wú)法有效標(biāo)定超聲信號(hào)特征與面外纖維屈曲缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，面內(nèi)纖維屈曲缺陷只能依靠圖像紋理特征實(shí)現(xiàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)；

（2）在檢測(cè)能力方面，目前可檢出的纖維屈曲缺陷尺寸較大、彎曲程度較明顯，可探測(cè)深度相對(duì)較低（瞬時(shí)相位對(duì)探測(cè)深度的提升有限）；

（3）在檢測(cè)缺陷類型方面，大部分研究主要集中于面外屈曲缺陷，面內(nèi)屈曲缺陷的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法研究較為匱乏；

（4）在檢測(cè)結(jié)構(gòu)件類型方面，絕大部分研究工作主要針對(duì)層合平板件展開(kāi)，缺乏針對(duì)加筋壁板R 角等具有彎曲外形的層合結(jié)構(gòu)部件展開(kāi)應(yīng)用研究。

上述問(wèn)題的存在，導(dǎo)致纖維屈曲缺陷的超聲無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)方法尚無(wú)法滿足航空工業(yè)領(lǐng)域的使用需求，未來(lái)需要在以下方面開(kāi)展更加深入的研究工作：

（1）含纖維屈曲缺陷的聲學(xué)仿真模型建模方法；

（2）超聲波與纖維屈曲缺陷的二維/三維作用機(jī)理仿真分析；

（3）小彎曲程度纖維屈曲缺陷定量評(píng)價(jià)方法；

（4）大深度區(qū)域?qū)娱g反射信號(hào)及其特征（例如瞬時(shí)相位）信噪比提升方法；

（5）復(fù)雜結(jié)構(gòu)件內(nèi)部纖維屈曲缺陷的檢測(cè)應(yīng)用；

（6）自動(dòng)化纖維屈曲缺陷檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)研發(fā)。

結(jié)論

（1）纖維屈曲缺陷的超聲無(wú)損檢測(cè)需要利用層間反射信號(hào)，在檢測(cè)氣孔、夾雜、分層等常規(guī)類型缺陷時(shí)，層間反射是影響檢測(cè)結(jié)果的主要噪聲源。為了提高層間反射信號(hào)的強(qiáng)度，超聲波波長(zhǎng)與碳纖維層的厚度應(yīng)滿足半波共振關(guān)系；為了提升半波共振的厚度范圍，超聲換能器應(yīng)具有較大的頻帶范圍。

（2）面外纖維屈曲缺陷可利用層間樹(shù)脂界面的幾何形態(tài)表征，層間樹(shù)脂界面的幾何形態(tài)測(cè)量存在兩種方法：一種是利用層間反射信號(hào)上表面反射信號(hào)瞬時(shí)相位差恒定的特性，通過(guò)相位觸發(fā)閘門實(shí)現(xiàn)層間樹(shù)脂界面圖像的繪制；另一種是利用層間樹(shù)脂的散射系數(shù)矩陣，纖維屈曲缺陷的存在將導(dǎo)致層間反射信號(hào)傳播方向發(fā)生變化，改變了大角度方向上散射系數(shù)矩陣散射系數(shù)的取值。

（3）面內(nèi)纖維屈曲缺陷可利用超聲C 型圖像中蘊(yùn)含的碳纖維紋理表征，碳纖維紋理的局部走向可利用局部圖像處理算子提取，其中，基于Radon 變換和結(jié)構(gòu)張量的提取方法效果最好；Radon 變換可以獲得碳纖維在面內(nèi)方向上的走向信息，結(jié)構(gòu)張量可以獲得碳纖維在空間方向上的走向信息。

（4）為了提高纖維屈曲缺陷的超聲檢測(cè)評(píng)價(jià)能力，纖維屈曲缺陷與超聲波作用機(jī)理的理論分析十分重要；由于碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料組織特性，相關(guān)理論仿真研究難度較大，還需進(jìn)一步開(kāi)展研究解決。