碳纖維復(fù)合材料熱損傷渦流檢測技術(shù)研究

喻星星，朱 穎，曹 艷，熊 娟

（1.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院，長沙 410124；2.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063）

0 引言

碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)良的機(jī)械性能和抗腐蝕性能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天[1-2]、軌道車輛[3]以及汽車[4]等領(lǐng)域。復(fù)合材料（主要是碳纖維復(fù)合材料）在飛機(jī)上的使用量以及應(yīng)用部位已成為評價(jià)飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)，同時(shí)也是相關(guān)航空公司采購飛機(jī)時(shí)的重要參考指標(biāo)[5]。以我國正在研制的C919大型客機(jī)為例，在雷達(dá)罩、活動翼面、機(jī)翼前后緣、翼身整流罩、翼梢小翼、尾翼、后機(jī)身等主承力和次承力結(jié)構(gòu)上均使用了復(fù)合材料，占全機(jī)結(jié)構(gòu)總重的比例達(dá)到11.5%。這是我國民用航空制造領(lǐng)域首次將復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)以及增壓區(qū)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了T800級高強(qiáng)碳纖維增韌復(fù)合材料的應(yīng)用[6]。國外先進(jìn)民航飛機(jī)，如波音787、空客A380等，復(fù)合材料用量比例已接近50%[2]。

碳纖維復(fù)合材料在加工及相關(guān)產(chǎn)品使用過程中容易出現(xiàn)熱損傷問題。例如，由于碳纖維復(fù)合材料中碳纖維增強(qiáng)體在氣化溫度、熱膨脹系數(shù)等熱力學(xué)性能方面與基體存在較大差異，對其進(jìn)行激光加工時(shí)容易出現(xiàn)熱影響區(qū)、復(fù)合材料分層、纖維拔出、纖維末端膨脹等熱損傷問題，嚴(yán)重影響碳纖維復(fù)合材料的靜態(tài)強(qiáng)度[7]。張瀟允[8]、甘國翠[9]、劉灝良[10]、張瑄珺[11]等對碳纖維復(fù)合材料熱損傷規(guī)律進(jìn)行了理論、仿真及試驗(yàn)研究。飛機(jī)在飛行過程中容易遭受雷擊[12]，由于碳纖維復(fù)合材料相對金屬而言，其電導(dǎo)率較弱，更容易出現(xiàn)由雷擊導(dǎo)致的熱損傷問題。張彬[13]、肖堯[14]、李潤田[15]等對碳纖維復(fù)合材料雷擊損傷規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)仿真和試驗(yàn)研究。另外，一些電氣火災(zāi)、軍用飛機(jī)導(dǎo)彈尾焰、戰(zhàn)斗過程的彈片灼傷以及維修過程中的激光退漆等，也容易導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生熱損傷。

對于碳纖維復(fù)合材料常見的缺陷，如分層、孔隙、脫粘等，主要的檢測方法有超聲、紅外、射線等。但超聲檢測需要耦合劑，對于薄板檢測還需要特殊裝置且易受漆層等的影響；紅外檢測的精度不高；射線檢測存在輻射安全等問題。近年來，基于纖維復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電能力，檢測時(shí)不需要耦合劑，并且可以帶漆層檢測等特點(diǎn)，研究人員對碳纖維復(fù)合材料的渦流檢測方法進(jìn)行了相關(guān)研究，證實(shí)了渦流檢測技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料熱損傷的檢測具有良好的效果[16-19]。但如何將其應(yīng)用于實(shí)際檢測還需進(jìn)一步研究和分析。

本研究針對碳纖維復(fù)合材料熱損傷進(jìn)行渦流檢測，通過采用不同檢測頻率對不同熱損傷程度的試件進(jìn)行連續(xù)掃查，采集渦流檢測線圈阻抗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析比較檢測效果，為碳纖維復(fù)合材料熱損傷的實(shí)際渦流檢測奠定基礎(chǔ)。

1 碳纖維復(fù)合材料熱損傷渦流檢測原理

對于碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電的原因，目前主要有2種觀點(diǎn)，即“滲濾”理論[5,20]和“隧穿”理論[21]?！皾B濾”理論認(rèn)為，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部碳纖維單絲含量達(dá)到某一臨界閾值（滲濾閾值）時(shí)，在復(fù)合材料內(nèi)部的碳纖維單絲彼此之間相互接觸，形成導(dǎo)電通道，且導(dǎo)電通道形成的概率隨著碳纖維含量的提高而增加。其內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)有外加電場且場強(qiáng)足夠大時(shí)，材料內(nèi)部的電子會定向移動，由此產(chǎn)生電流。“隧穿”理論認(rèn)為，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的碳纖維單絲不能完全接觸以形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而是依靠電子的隧穿效應(yīng)跨越復(fù)合材料內(nèi)部阻隔纖維之間的絕緣層來參與導(dǎo)電的[22]。

圖1 碳纖維復(fù)合材料電容及電阻網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Diagram of capacitance and resistance network of carbon fiber composite

碳纖維復(fù)合材料在受到局部熱損傷時(shí)（如雷擊、激光加工等），由于碳纖維復(fù)合材料的靜態(tài)電導(dǎo)率（平面方向102～104S/m，厚度方向10-4S/m）及熱導(dǎo)率（10-1～100W·m-1·℃-1）遠(yuǎn)小于鋁、鈦合金等傳統(tǒng)金屬材料（電導(dǎo)率106～108S/m，熱導(dǎo)率102W·m-1·℃-1），使得碳纖維復(fù)合材料在遭受熱損傷時(shí)，無法短時(shí)間內(nèi)將大量電荷和熱量轉(zhuǎn)移及擴(kuò)散，局域溫度急劇上升，從而導(dǎo)致纖維斷裂、樹脂熱解、深度分層、纖維拔出、末端膨脹等嚴(yán)重?fù)p傷[11,23]。上述熱損傷無論是根據(jù)“滲濾”理論，還是“隧穿”理論，都將影響碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，為利用渦流檢測技術(shù)進(jìn)行檢測奠定了基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 檢測儀器及檢測參數(shù)

由于燒傷缺陷的表面性質(zhì)改變比內(nèi)部要嚴(yán)重，因此檢測時(shí)應(yīng)使用較高的頻率以使能量更集中于表面。碳纖維復(fù)合材料的電導(dǎo)率很低，在厚度方向上約為104S/m，趨膚效應(yīng)和金屬相比有數(shù)量級的差別。頻率較低會導(dǎo)致檢測時(shí)趨膚深度較大，能量不集中于表面，影響表面缺陷的檢測。同時(shí)，檢測信號還會受到板厚波動的影響。

趨膚效應(yīng)的計(jì)算公式為：

式中：δ為趨膚深度， f為檢測頻率，σ為電導(dǎo)率，μ為磁導(dǎo)率。

試驗(yàn)采用可提供較高頻率的渦流檢測儀進(jìn)行，頻率調(diào)節(jié)范圍為64 Hz～5 MHz。檢測儀為阻抗型儀器，可以提供檢測信號的幅值和相位信息。在檢測時(shí)，儀器檢測增益統(tǒng)一設(shè)置為30 dB（兼顧考慮檢測試件的本底信號漂移不大，輕微熱損傷有一定的信號顯示以及嚴(yán)重?zé)釗p傷信號不超出儀器顯示界面）；檢測相位統(tǒng)一調(diào)節(jié)為0°（主要研究頻率對檢測結(jié)果的影響，此時(shí)不以提離水平作為基準(zhǔn)）。對掃查過程中的線圈阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，最大采樣率為20 kHz。

檢測頻率選取1.00、2.00、3.33、5.00 MHz，以研究檢測頻率對檢測效果的影響。因儀器檢測頻率為分頻方式得到，在2.00～5.00 MHz內(nèi)自動匹配的頻率點(diǎn)為3.33 MHz。

對于碳纖維板，取σ=104S/m，μ=4π×10-7H/m。根據(jù)式（1）計(jì)算，當(dāng)檢測頻率分別為1.00、2.00、3.33、5.00 MHz時(shí)，碳纖維板的趨膚深度分別為5.03、3.56、2.76、2.25 mm。

2.2 檢測探頭

因檢測對象為平面板材，考慮材料的基本特性及檢測原理，采用線圈直徑為1 mm的筆式探頭進(jìn)行預(yù)檢測。但在檢測過程中發(fā)現(xiàn)存在2個(gè)問題：一是探頭接觸范圍小，因碳纖維材料本身存在一定的特性不均勻性，以致檢測數(shù)據(jù)波動較大；二是探頭尺寸較小，其所能承受的激勵也較小，因而產(chǎn)生的信號較小。因此，本試驗(yàn)選取如圖2所示的渦流檢測彈壓式平探頭，標(biāo)稱頻率范圍為1～5 MHz，探頭直徑為5 mm。該探頭線圈直徑大于普通筆式探頭，可以承受較大激勵電流產(chǎn)生的較強(qiáng)激勵，同時(shí)其平均效應(yīng)對碳纖維板在小范圍內(nèi)的電導(dǎo)率特性波動具有抑制作用。彈壓式探頭還具有檢測時(shí)接觸平穩(wěn)、壓力均勻的特點(diǎn)，有助于抑制干擾。

圖2 渦流檢測彈壓式平探頭Fig.2 Thespring type flat probeof eddy-current inspection

檢測前，在探頭正弦波形不產(chǎn)生失真和飽和的狀態(tài)下，對檢測頻率、探頭前置增益以及探頭驅(qū)動進(jìn)行設(shè)定。經(jīng)過試驗(yàn)比對，將探頭前置增益設(shè)置為20 dB，驅(qū)動設(shè)置為默認(rèn)值5，可保證各檢測頻率下探頭正弦波形不產(chǎn)生失真和飽和。

2.3 檢測試件

檢測試樣為T300平紋啞光碳纖維復(fù)合材料層壓板，尺寸為100 mm×200 mm×2 mm。通過直接燒蝕的方法來制作熱損傷試件，其中正面為燒蝕面，反面為完好面，如圖3所示。其中，位置0為掃查起始參考點(diǎn)，位置4為掃查結(jié)束參考點(diǎn)，燒蝕點(diǎn)具體參數(shù)見表1。

表1 碳纖維復(fù)合材料燒蝕點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Ablation point design parameters of carbon fiber composites

為控制火焰噴射影響范圍，燃燒時(shí)在復(fù)合材料上放置金屬墊片，火焰對準(zhǔn)墊片中心噴射。由于試件在噴射火焰中暴露的時(shí)間不同，在直接導(dǎo)致試件表面產(chǎn)生不同程度燒蝕損傷的同時(shí)，試件內(nèi)部還伴隨不同程度的分層缺陷，持續(xù)火焰燒蝕可導(dǎo)致穿孔等缺陷，與雷擊損傷有很高的相似性。

以試件反面作為掃查面（圖3b），探頭從位置0(25,50)（單位：mm，下同）開始，勻速直線掃查至位置4(175,50)，采集檢測線圈阻抗值。從位置0′(25,25)到位置4′(175,25)進(jìn)行一次完好區(qū)域的掃查阻抗數(shù)據(jù)采集，作為熱損傷與正常區(qū)域的對比參照。

圖3 被檢碳纖維復(fù)合材料試件正反面Fig.3 Front and back sidesof thetested carbon fiber composite specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

文獻(xiàn)[24]對渦流檢測線圈阻抗值進(jìn)行歸一化處理。分別提取1.00、2.00、3.33、5.00 MHz檢測頻率下，掃查過程采集到的線圈歸一化阻抗數(shù)值。圖4給出了2.00、5.00 MHz激勵頻率下的檢測線圈歸一化阻抗曲線?？梢钥闯觯?dāng)頻率相同時(shí)，不同程度的熱損歸一化阻抗曲線從方向上區(qū)別不大，疊加在一起。為了有利于不同熱損點(diǎn)歸一化阻抗信號的識別，并且觀察阻抗值隨時(shí)間變化的快慢和時(shí)長，以采集點(diǎn)數(shù)作為橫坐標(biāo)，X、Y方向歸一化阻抗值作為縱坐標(biāo)，分別繪制不同檢測頻率的歸一化阻抗X、Y方向分量值的曲線圖，如圖5所示。其中，紅色曲線為完好區(qū)域掃查所得的阻抗X、Y方向分量曲線，藍(lán)色曲線為燒蝕點(diǎn)位置掃查所得X、Y方向分量曲線。由圖可見2條曲線長度（采集點(diǎn)數(shù)）不同，主要是因?yàn)槭謩訏卟殡y以保證從開始掃查到掃查結(jié)束所用時(shí)間相同，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)量存在差異，但不影響對曲線變化趨勢的判別。

圖4 在不同激勵頻率下的檢測線圈歸一化阻抗曲線Fig.4 Normalized impedancecurvesof detection coils at different excitation frequencies

在試驗(yàn)的檢測頻率范圍內(nèi)，各檢測頻率下歸一化阻抗X、Y方向的曲線都有較大幅度的波動，檢測效果良好。同時(shí)注意到，探頭沿位置0到位置4掃查，以及沿位置0′到位置4′掃查時(shí)，其曲線既有上升也有下降的變化，即在完好位置掃查時(shí)，其阻抗曲線也是變化的。這與碳纖維復(fù)合材料自身特點(diǎn)有關(guān)，其內(nèi)部碳纖維絲的鋪疊、分布、走勢均對線圈阻抗產(chǎn)生影響，不同的檢測頻率其走勢也不同（體現(xiàn)為檢測頻率對阻抗曲線相位的變化影響）。因此，對熱損情況的判別不能簡單的以X軸水平0線作為基準(zhǔn)，而應(yīng)該以相對完好處的掃查曲線作為參照。此外，隨著熱損傷點(diǎn)燃燒時(shí)間的延長，熱損傷程度加大，阻抗曲線幅值增大，所以渦流檢測阻抗曲線幅值在一定程度上也反映了熱損傷的程度。

對熱損傷區(qū)域范圍的判別，采用的方法是將熱損傷掃查路徑（位置0～位置4）的阻抗曲線與未受熱損傷影響區(qū)域掃查路徑（位置0′～位置4′）的阻抗曲線進(jìn)行對比。如果2條曲線開始分離且最終離開較遠(yuǎn)，則判斷為受熱損傷影響區(qū)域。將離開最遠(yuǎn)的位置作為受損最嚴(yán)重的位置，2個(gè)分離點(diǎn)之間的區(qū)域計(jì)算為受損區(qū)域。由于采用手動掃查，2條曲線重合度存在一定的誤差，在此通過觀察熱損傷掃查路徑阻抗曲線（藍(lán)線）的幅度變化來判別熱損區(qū)域范圍。以圖5a中X軸方向歸一化阻抗圖曲線為例進(jìn)行說明，對試件3個(gè)熱影響區(qū)域范圍進(jìn)行研究分析。取曲線變化較為明顯的A、B、C 3段代表熱損傷區(qū)間范圍進(jìn)行長度推算。探頭由位置0移動至位置4時(shí)間約為5 s（距離長度150 mm），采集數(shù)據(jù)量約為86 000個(gè)。A段數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為23 675～35 808，轉(zhuǎn)換長度約為21 mm；B段數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為42 500～57 050，轉(zhuǎn)換長度約為25 mm；C段數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為66 400～93 000，轉(zhuǎn)換長度約為46 mm。即從渦流檢測數(shù)據(jù)分析，3處熱損傷點(diǎn)的熱損傷范圍分別為21、25、46 mm。表2給出了各激勵頻率下，根據(jù)X軸方向歸一化阻抗曲線推算的損傷范圍（Y軸方向阻抗值與X軸同步，未重復(fù)推算）。

表2 渦流檢測與水浸超聲C掃描結(jié)果對比Table 2 Comparison of eddy current detection and water immersion ultrasonic C-scan results

圖5 不同激勵頻率下檢測線圈歸一化阻抗X、Y方向分量曲線Fig.5 Normalized impedance valuesof detection coil in X,Y directionsat different excitation frequencies

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用超聲特征成像掃描系統(tǒng)對試件進(jìn)行C掃

描，如圖6所示。將其檢測結(jié)果與渦流檢測結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料熱損傷渦流檢測方法的有效性。

圖6 碳纖維板超聲C掃描檢測Fig.6 Ultrasonic C-scan detection of carbon fiber plate

采用超聲特征成像掃描系統(tǒng)從試件反面（圖3b）對被檢試件進(jìn)行檢測，以此作為試件內(nèi)部熱損傷面積的基本參考值。掃描成像結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯恢?處的內(nèi)部損傷不明顯（約在25 mm范圍有一定的顏色變化）；位置2處的內(nèi)部形成直徑約25 mm的嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域（黑色區(qū)域），向外延伸至直徑約30 mm區(qū)域有一定的顏色變化；位置3處的內(nèi)部形成直徑約35 mm的嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域（黑色區(qū)域），向外延伸至直徑約45 mm區(qū)域有一定的顏色變化。渦流檢測與水浸超聲C掃描結(jié)果對比見表2。

圖7 超聲特征成像掃描圖Fig.7 Ultrasonic character imaging scan

對比表2中2種檢測方法的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，渦流檢測的碳纖維復(fù)合材料熱損傷尺寸存在誤差。但考慮到渦流檢測是對現(xiàn)場工件進(jìn)行的手動掃查，不可避免存在一定的誤差，仍可認(rèn)為渦流檢測可對碳纖維復(fù)合材料熱損傷進(jìn)行有效檢測。現(xiàn)有的不同激勵頻率下的渦流檢測效果暫未觀察出規(guī)律性影響。當(dāng)前儀器最高頻率為5.00 MHz，后續(xù)將考慮采用更高頻率的儀器做進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1）采用彈壓式平探頭，選取1.00～5.00 MHz的檢測頻率，渦流檢測方法可以有效檢測出碳纖維復(fù)合材料熱損缺陷，并且阻抗曲線幅值隨著熱損傷程度的加大而升高，通過對阻抗曲線起伏寬度的計(jì)算，可以推算出碳纖維復(fù)合材料熱損點(diǎn)周邊的熱損傷范圍。

2）掃查過程中，由于碳纖維材料本身電參數(shù)的波動，所以需要有熱損傷位置附近相對完好位置的掃查曲線作為對比參考。

3）應(yīng)用不同檢測頻率對不同程度的熱損傷區(qū)域做渦流檢測，測出的損傷范圍與水浸超聲測得的損傷位置接近，2種方法可以做到交叉驗(yàn)證，也從另一個(gè)角度說明了利用渦流檢測技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料熱損傷實(shí)施檢測具有可行性。