復(fù)合材料層壓板沖擊損傷的無損檢測與評估

楊玉森，魏然

（1.中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

近年來，為了提高飛機(jī)的性能并降低成本，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的關(guān)注，與傳統(tǒng)航空金屬零部件相比，纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有比重小、比強(qiáng)度高和比模量大的特點(diǎn)，可大大減輕機(jī)身重量，同時纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料加工周期短，尺寸穩(wěn)定性好，具有較低的熱膨脹性能，良好的抗疲勞性能和斷裂性能[1]，飛機(jī)應(yīng)用中的先進(jìn)復(fù)合材料在近40年來從小到大，從弱到強(qiáng)，從少到多，從結(jié)構(gòu)載荷到增加功能的發(fā)展方式，目前，先進(jìn)復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的垂直尾翼、水平尾翼、方向舵、副翼、前機(jī)身和機(jī)翼蒙皮等一級和二級結(jié)構(gòu)中[2]。在商用飛機(jī)上應(yīng)用也越來越多，波音787 和空客A350 復(fù)合材料占比達(dá)到50%。飛機(jī)在飛行中會受到各種結(jié)構(gòu)和氣動載荷，這些載荷會對結(jié)構(gòu)造成破壞和削弱，以及在制造、維修和維護(hù)中不可避免產(chǎn)生低速沖擊損傷，如意外碰撞、工具掉落和冰雹等，低能撞擊會在復(fù)合材料內(nèi)部造成復(fù)雜的基體開裂和分層，由于碳纖維樹脂基復(fù)合材料的材料性能和結(jié)構(gòu)特性，產(chǎn)生的往往是目視不可見的內(nèi)部損傷[3]，這種損傷會降低結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和耐久性，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效并危及飛機(jī)的飛行安全[4]。

復(fù)合材料的沖擊損傷是由不同的斷裂模式組成的，典型的沖擊損傷包括基體開裂、纖維基體脫粘和纖維斷裂，尤其是由于層間剪切強(qiáng)度相對較低而產(chǎn)生的內(nèi)部分層[5]，這些斷裂模式結(jié)合在一起形成相當(dāng)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)[6]，由于沖擊損傷的復(fù)雜性，要對沖擊損傷進(jìn)行完整的評估，通常需要一種以上的方法，沖擊損傷的檢測評估有許多方法，如超聲法、紅外法、X 射線法及振動檢測等。本文采用超聲反射法及X 射線法對熱壓固化成型的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的沖擊試樣進(jìn)行了無損評估。

1 試驗(yàn)材料和沖擊試驗(yàn)

復(fù)合材料層壓板原材料為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，試樣采用手工鋪疊，熱壓罐高溫固化成型，4 塊試樣外形尺寸為150 mm×100 mm×3.2 mm，單向碳纖維預(yù)浸帶鋪層順序相同，皆垂直于長度方向。沖擊試驗(yàn)設(shè)備品牌型號為INSTON CEAST9340 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，使用質(zhì)量為5.5 kg、直徑16 mm 的半球形光滑沖頭，試樣夾具為圓形夾具，夾具內(nèi)徑為78 mm，外徑110 mm，對4 塊試樣中心位置進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，4 塊試樣的沖擊能量分別為3 J、6 J、9 J 和12 J。

2 X 射線檢測

X 射線檢測技術(shù)是利用射線穿透物體后的衰減特性獲取物體影像的非接觸性檢測。X 射線檢測技術(shù)的檢測結(jié)果直觀、可靠，還可以定性地描述材料的密度分布和定量地測量材料的密度值，其原理是被測物體各部分的厚度或密度因缺陷的存在而有所不同，當(dāng)X 射線在穿透被檢物時，射線被吸收的程度也將不同。對4 塊檢測試樣進(jìn)行了X 射線檢測，其檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 沖擊試樣X 射線檢測圖

從檢測結(jié)果中可以看出，3 J 沖擊能量下試樣X 射線檢測結(jié)果未見損傷缺陷，表明3 J 能量下并未達(dá)到復(fù)合材料試樣損傷門閥值[6]，低于該門閥值不會發(fā)生損傷；而在6 J 能量沖擊下，試樣出現(xiàn)裂紋，裂紋長度70 mm左右，目視檢測下此試樣外觀完好，并未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，但實(shí)際已出現(xiàn)不可見斷裂損傷，裂紋方向垂直于長度方向；沖擊能量9 J 時，可以看到一條明顯橫貫整個試樣寬度的裂紋，裂紋方向垂直于長度方向，裂紋寬度較6 J 沖擊能量下裂紋寬度增大；當(dāng)沖擊能量增加至12 J 時，可見多處裂紋，裂紋方向與前述一致。從X 射線檢測結(jié)果可知，6 J 沖擊能量下開始出現(xiàn)損傷，X 射線可以對裂紋缺陷進(jìn)行檢測，但并未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，因分層缺陷在厚度方向上并未產(chǎn)生厚度或密度差異，故傳統(tǒng)X 射線檢測方法并不能有效地檢測出分層缺陷，為了觀察X 射線照片上的分層，必須在受損區(qū)域注入X 射線不透明的滲透劑。

3 超聲脈沖反射法檢測

采用自主研制的高分辨率超聲檢測設(shè)備[7]檢測。超聲波檢測（Ultrasonic Testing，UT），也叫超聲檢測，是一種基于材料（如聚合物復(fù)合材料）對入射聲波彈性響應(yīng)的聲學(xué)檢測方法，超聲檢測由于其靈活性和可定性定量揭示分層或裂紋等內(nèi)部缺陷的能力，故超聲檢測是目前復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)方向，根據(jù)不同應(yīng)用，超聲檢測使用的頻率覆蓋20 kHz 到1 GHz，大多數(shù)工業(yè)無損檢測使用的頻率在0.5 MHz 到10 MHz 之間。超聲檢測方法有多種分類方式，按波型可分為體積波（縱波和橫波）法、表面波（或瑞利波）法及導(dǎo)波（如板中的蘭姆波）法，其中縱波法應(yīng)用最為廣泛和成熟；按檢測原理可分為反射法、穿透法和背散射法等；按顯示和成像方式可分為A-掃描、B-掃描和C-掃描[8-9]，目前在復(fù)合材料檢測實(shí)際工程應(yīng)用中，超聲脈沖反射法A-掃描應(yīng)用最為廣泛。圖2中的①為超聲信號傳播示意圖，其典型波形圖如圖3（a）所示，X 軸方向?yàn)樾盘柕膫鞑r間（Time of flight，TOF），Y 軸方向?yàn)樾盘枏?qiáng)度，其中F 為來自入射面表面的反射回波信號，即界波，B 為來自下表面界面的反射回波信號，即底波，B1為二次反射信號波。當(dāng)試樣內(nèi)部存在缺陷時，如圖2中的②為分層缺陷，當(dāng)超聲波信號遇到缺陷界面時，信號無法繼續(xù)向試樣內(nèi)部傳播而發(fā)生反射，此時典型波形圖如圖3（b）所示，其中D 為缺陷波反射信號，D1為二次回波信號。

圖2 超聲A-掃描超聲信號傳播示意圖

圖3 典型超聲-A 顯示信號

當(dāng)超聲換能器沿著某一方向直線移動時，超聲檢測系統(tǒng)會收集這條直線上的所有超聲波反射信號，并以灰度圖像顯示出來，即為超聲-B 掃描。超聲-B 掃描能夠反映所檢測試樣直線位置的橫截面信息。

當(dāng)超聲脈沖反射法檢測系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)使超聲換能器（探頭）在試樣上縱橫交替掃查時，超聲換能器探測收集試樣特定平面范圍的全部超聲波反射信號，為了方便觀察和辨識，采用電子閘門只獲取X 軸方向某一時間段的超聲波信號，通常閘門設(shè)置在底波反射信號位置，結(jié)合超聲換能器的位置信號，最后以灰度的形式連續(xù)顯示出來，這樣就可以繪制出試樣檢測區(qū)域的平面檢測圖像，這種檢測方法稱之為超聲C-掃描。超聲C-掃描可以顯示出試樣某一平面（垂直于超聲波信號傳播方向）區(qū)域的信息，故超聲C-掃描結(jié)合超聲B-掃描能夠較為全面地檢測評估出試樣的內(nèi)部質(zhì)量。

采用水浸式超聲檢測方法，超聲換能器和檢測工件全部或部分浸沒到水中，水作為超聲耦合劑，由于采用非接觸方式，有效地改善了復(fù)合材料構(gòu)件表面不規(guī)則或凸起部位對探頭耦合狀況的影響，檢測時，試樣內(nèi)部存在缺陷，C-掃描顯示圖像顏色較深，試樣內(nèi)部不存在缺陷，信號接收較好，則C-掃描圖像顏色較淺，試驗(yàn)內(nèi)部缺陷能夠被較為直觀地觀察出來。

4 結(jié)果和討論

圖4依次為不同沖擊能量下的超聲C-掃描圖，圖4（a）為復(fù)合材料3 J 沖擊能量下的超聲C-掃描圖，在3 J沖擊能量下，超聲C-掃描未發(fā)現(xiàn)沖擊缺陷，表明在此沖擊能量下材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好。圖4（b）為復(fù)合材料6 J 沖擊能量下的超聲C-掃描圖，從圖中可以看出，沖擊能量達(dá)到缺陷閾值，在沖擊位置產(chǎn)生2 條線狀裂紋缺陷，方向垂直于長度方向，其中一條線狀缺陷由上邊緣達(dá)到下邊緣，上部分裂紋較小，下部分裂紋較大，另一條線狀缺陷位于中心位置，由此表明在6 J 沖擊能量下復(fù)合材料破壞形式以基體斷裂為主，未發(fā)現(xiàn)分層等其他缺陷類型；在目視檢查6 J 能量下復(fù)合材料并未發(fā)現(xiàn)缺陷，在X 射線檢測結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)6 J 能量下只能觀察到1 條細(xì)微裂紋，表明超聲C-掃描能夠較為有效準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部缺陷信息。圖4（c）為9 J 沖擊能量下的超聲C-掃描圖像，圖中可以看出中間一條較為明顯的斷裂裂紋，裂紋方向垂直于試樣長度方向，且在9 J 沖擊能量下，在裂紋兩側(cè)開始出現(xiàn)分層缺陷，此時分層在沖擊中心位置沿X 軸方向尺寸最大，距離為16 mm，分層區(qū)域長度方向與裂紋方向一致，隨著分層向裂紋方向延伸，分層區(qū)域X 軸方向尺寸逐漸減小，Y軸方向長度為82 mm，此時沖擊破壞形式以基體斷裂及分層為主。當(dāng)沖擊能量增大到12 J 時，其超聲C-掃描圖像如圖4（d）所示，從圖中可以看出在12 J 沖擊能力下出現(xiàn)更多的裂紋，與12 J 沖擊后試樣X 射線檢測結(jié)果一致，此時分層缺陷與9 J 沖擊能量下類似，其X軸方向最大尺寸為18 mm，Y 軸方向長度為82 mm，與9 J 沖擊能量下相比，分層區(qū)域面積并沒有顯著增加，沖擊能量主要以基體斷裂的形式吸收消耗，此時沖擊破壞形式依舊以基體斷裂及分層為主。

圖4 不同沖擊能量下的超聲-C 掃描圖

對4 塊沖擊后試樣在沖擊中心位置沿X 軸方向進(jìn)行超聲-B 掃描檢測，其檢測結(jié)果如圖5所示。圖5（a）為復(fù)合材料3 J 沖擊能量下的超聲B-掃描圖，在3 J 沖擊能量下中心位置沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，但從在沖擊中心位置的B 掃描圖像中可以觀察出上表面及下表面略向下彎曲，中心位置較兩端平面向下位移垂直距離8 mm，此時試樣雖未產(chǎn)生缺陷，但沖擊已使試樣發(fā)生塑性變形。圖5（b）為復(fù)合材料6 J 沖擊能量下的超聲B-掃描圖，隨著沖擊能量增加至6 J，試樣的彎曲程度增加，中心位置較兩端平面向下垂直位移距離16 mm，同時在試樣下表面產(chǎn)生裂紋，表明底層的裂紋是由彎曲應(yīng)力引起的，在6 J 沖擊能量下主要以塑性變形的形式吸收。圖5（c）為9 J 沖擊能量下超聲B-掃描圖，在沖擊點(diǎn)位置上表面產(chǎn)生凹陷坑，但與上述結(jié)果不同的是，此時試樣上下表面并未產(chǎn)生明顯地向下彎曲的現(xiàn)象，表明塑性變形量較小，能量主要以基體斷裂和分層的形式吸收，在9 J沖擊能量下產(chǎn)生分層缺陷，由于基體裂紋、相鄰層間剛度失配、層間聚集和層間撓度引起層間剪切應(yīng)力，產(chǎn)生的層間剪切應(yīng)力致使試樣分層[10]，其分層內(nèi)分布形式結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]報(bào)道一致，隨著沖擊波向下表面延伸并擴(kuò)展，呈現(xiàn)喇叭形或錐形。當(dāng)沖擊能量達(dá)到12 J時，其超聲B-掃描圖如圖5（d）所示，沖擊位置凹陷坑深度增大，可觀察到上表面略向下彎曲，其原因是檢測時在試樣兩端下方存在墊塊，而中間處于懸浮狀態(tài)，沖擊能量使試樣結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，由于試樣自重而產(chǎn)生下彎現(xiàn)象，此時分層分布形式與9 J 沖擊能量下試樣類似。

圖5 不同沖擊能量下的超聲-B 掃描圖

由以上可以看出沖擊能量小于6 J 時，沖擊能量主要以塑性變形吸收消耗，當(dāng)沖擊能量大于6 J 時，彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生基體裂紋，沖擊能量達(dá)到9 J 時出現(xiàn)分層缺陷，隨著沖擊能量增大到12 J，分層區(qū)域面積幾乎不變，裂紋數(shù)量增加，此時，沖擊能量通過基體斷裂形式吸收消耗能量，因試樣鋪層順序相同，致使復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度相對較高，故沖擊損傷主要以基體斷裂形式存在，且裂紋方向與鋪層順序相同。

5 結(jié)論

目視檢測只能觀測試樣表面缺陷，傳統(tǒng)X 射線檢能夠?qū)^為明顯的裂紋缺陷進(jìn)行檢測，但對分層缺陷無法達(dá)到檢出效果。

超聲脈沖反射檢測方法能夠較為有效地檢測出試樣的內(nèi)部缺陷：通過超聲C-掃描成像方法，可以清晰地檢測出試樣某一平面（垂直于超聲波信號傳播方向）區(qū)域的缺陷分布及擴(kuò)展情況，通過超聲B-掃描檢測可以檢測出試樣某一位置橫截面內(nèi)部缺陷信息，也可再現(xiàn)沖擊損傷在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣內(nèi)部不同斷面方向的分布、擴(kuò)展過程、損傷特征及量化信息。

沖擊能量小于6 J 時，沖擊能量主要以試樣塑性變形吸收消耗，當(dāng)沖擊能量大于6 J 時，彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生基體裂紋，沖擊能量達(dá)到9 J 時出現(xiàn)分層缺陷，分層擴(kuò)展方向與裂紋方向一致，沖擊能量增大到12 J 時，分層區(qū)域面積幾乎不變，能量以裂紋數(shù)量增加吸收消耗，沖擊損傷主要以基體斷裂形式存在，且裂紋方向與鋪層順序相同。