超聲檢測識別CFRP 復合材料PTFE 夾雜與富樹脂缺陷

付冬欣，林 莉，張書寧，羅忠兵

（大連理工大學無損檢測研究所，大連 116024）

碳纖維增強復合材料 （Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）因具有高比強度、高比剛度、可設計性強和易成型等特性被廣泛應用于航空航天領域[1–3]。由于其制備工藝十分復雜導致材料內部不可避免會出現(xiàn)分層、孔隙、夾雜和富樹脂等缺陷，嚴重影響結構件的穩(wěn)定性和可靠性，采用無損檢測的方法對復合材料進行質量檢測至關重要[4–6]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的缺陷類型對材料性能的影響存在差異[7–9]，其中夾雜缺陷容易使材料產(chǎn)生應力集中，顯著降低材料斷裂韌性和剪切強度；富樹脂缺陷通過改變材料占比與鋪層厚度，削弱了材料的承載能力，材料易產(chǎn)生疲勞失效[10]，因此對其進行準確可靠的無損識別具有重要意義。

超聲檢測因具有檢測靈敏度高、檢測速度快，對身體無害等優(yōu)點被廣泛用于復合材料無損檢測[11–14]。在CFRP 復合材料缺陷定性方面，目前主要圍繞孔隙和分層缺陷進行研究[15–18]，例如王喆等[15]采用脈沖反射法對厚度4 mm、孔隙率0.20% ～ 5.92%的CFRP 標準試塊進行檢測，提取缺陷超聲背散射信號遞歸率和遞歸熵兩種特征參數(shù)，對不同孔隙率區(qū)域進行了有效識別；李健等[16]基于超聲相控陣檢測得到厚度5 mm 的CFRP 層合板不同尺寸分層、不同形狀夾雜和自然脫粘缺陷超聲檢測信號，提取缺陷時域波形節(jié)點處波峰系數(shù)和波形系數(shù)作為缺陷識別特征；Meng 等[17]基于超聲相控陣法獲取厚度3.6 mm 的CFRP 層合板分層和孔隙缺陷超聲檢測信號，提取缺陷時域波形小波包系數(shù)并結合深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡對20 mm×20 mm 分層和孔隙缺陷進行了有效識別。相比于孔隙和分層缺陷，對CFRP 復合材料中夾雜與富樹脂缺陷進行超聲區(qū)分的研究非常少，其原因主要包括兩方面：一是夾雜與富樹脂缺陷尺寸和形狀難以控制，試樣制作困難；二是這兩種缺陷材料特性相近，識別困難。

特別是由于CFRP 層合板具有多層、各向異性的特點，超聲波與層合板作用時存在層間反射，缺陷信號隨機復雜，進一步增加了缺陷定性的困難，單純從試驗角度對復合材料缺陷定性效果不佳。

Zhang 等[19]基于相控陣超聲檢測技術，采用仿真與試驗相結合的方法對波紋狀復合材料分層和富樹脂缺陷進行了有效表征，利用不同缺陷反射幅度對超聲頻率的依賴性，從不同濾波頻率的B 掃描圖像中區(qū)分了分層和富樹脂缺陷。

基于以上分析，本文采用試驗與仿真結合的方法，基于超聲反射法時域信號分析，開展CFRP 復合材料PTFE 夾雜與富樹脂缺陷定性研究，通過分析不同厚度下兩種缺陷時域信號差異，對PTFE 夾雜與富樹脂缺陷進行識別。

1 CFRP 復合材料層合板仿真建模

1.1 顯微組織觀測

本研究所用CFRP 層合板由CCF300 單向帶預浸料和CF3031 斜紋織物預浸料采用熱壓罐手糊工藝制成。圖1 為CFRP 層合板示意圖，該層合板尺寸為300 mm×300 mm，板厚3.66 mm，纖維鋪層順序為[45/45/0/45/90/45/0/45/90/0]s-。截取小塊試樣用于顯微觀測，其金相照片如圖2 所示，圖2（a）為層合板縱截面微觀組織，各疊層間存在較為明顯的分界面，每一層均為纖維與樹脂混合態(tài)，疊層厚度0.10 ～ 0.30 mm。圖2（b）～（d）是取向為0°、45°、90°的纖維幾何形態(tài)，其中纖維直徑5 ～ 8 μm。

圖1 CFRP 層合板示意圖Fig.1 Schematic diagram of CFRP laminates

圖2 CFRP 層合板微觀組織Fig.2 Microstructure of CFRP laminates

1.2 聲學參數(shù)測量

由于纖維鋪排方向性分布，CFRP 復合材料整體表現(xiàn)出各向異性，可采用剛度矩陣來描述材料的彈性性能。本文基于超聲浸液背散射法結合模擬退火算法進行參數(shù)反演[20]，得到CFRP 單向板0°單向帶和0°織物的彈性剛度矩陣，再利用Bond 變換獲取纖維取向為45°和90°的彈性剛度矩陣。采用阿基米德排水法測得試樣密度為1541.60 kg/m3。

1.3 聲學建模

基于組織觀測和材料聲學特性測試結果，借助COMSOL Multiphysics 5.3 軟件建立CFRP 層合板超聲檢測有限元仿真模型[21]，如圖3 所示。設置換能器中心頻率5.35 MHz、晶片直徑6.35 mm、采樣頻率250 MHz、超聲波脈沖寬度0.63 μs，試樣上方區(qū)域填充有機玻璃材料。設置邊界為低反射邊界，以便消除模型邊界處超聲波反射帶來的影響。

圖3 CFRP 層合板超聲檢測有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element model for ultrasonic testing of CFRP laminates

基于上述模型，仿真得到CFRP 層合板時域信號和瞬態(tài)聲場，如圖4 所示。由圖4（a）可知，表面波與底面波間存在層間反射波且波形隨機復雜，通過圖4（b）的瞬態(tài)聲場分布也能觀察到超聲波在層合板疊層處發(fā)生了波的反射。分析原因主要是由于CFRP 層合板疊層間纖維取向不一導致其聲阻抗存在差異，超聲波在傳播時遇到多個異質界面，且層間距離較小，使得每個疊層間發(fā)生了多次界面反射。

圖4 CFRP 層合板超聲檢測仿真結果Fig.4 Simulation results of ultrasonic testing of CFRP laminates

1.4 試驗驗證

采用與模擬相同的參數(shù)條件對CFRP 層合板進行超聲檢測，得到試驗與仿真時域信號對比結果，如圖5所示?？梢钥闯觯珻FRP 層合板仿真信號表面波、層間反射波和底面波在位置和幅值上均與試驗信號具有較高重合度。t=9.50 ～ 13.20 μs 范圍內仿真與試驗信號均方根誤差為2.79%，證明了仿真模型的有效性。

圖5 CFRP 層合板試驗與仿真時域信號對比結果Fig.5 Comparison of time-domain signals between simulation and experiment of CFRP laminates

2 夾雜與富樹脂缺陷仿真識別

2.1 建模與仿真

基于1.3 節(jié)中的模型，在CFRP 層合板11/12 層設置寬度為6 mm，厚度h為0.03 ～ 0.40 mm 的聚四氟乙烯（PTFE）夾雜及厚度0.03 ～ 0.85 mm 的富樹脂缺陷，材料聲學參數(shù)見表1。獲取不同厚度PTFE 夾雜與富樹脂缺陷超聲A 掃描信號。選擇厚度0.10 mm、0.20 mm 和0.30 mm的3 種缺陷時域信號進行比較，對比結果如圖6 所示。

表1 材料聲學參數(shù)Table 1 Acoustic parameters of materials

圖6 不同厚度PTFE 夾雜與富樹脂缺陷超聲仿真時域信號對比Fig.6 Comparison of ultrasonic simulation time-domain signals of PTFE inclusions and rich resin defects with different thicknesses

觀察完全區(qū)分缺陷上下表面回波時，PTFE 夾雜缺陷和富樹脂缺陷厚度分別不小于0.38 mm 和0.85 mm。觀察圖6 可以發(fā)現(xiàn)，夾雜與富樹脂缺陷時域信號整體上存在明顯差異。主要表現(xiàn)為： （1）幅值不同。相同厚度時，富樹脂缺陷在幅值上均低于夾雜缺陷。由超聲檢測原理可知，幅值反映了由界面聲阻抗差引起的聲壓反射能力的強弱，根據(jù)表1 可得，PTFE 與基體界面聲壓反射系數(shù)高，則PTFE 夾雜缺陷反射能力更強。（2）波形不同。相同厚度的兩種缺陷波形存在差異，而同一種缺陷不同厚度的波形也有明顯區(qū)別。這主要是由于缺陷波發(fā)生了混疊。缺陷波混疊是由于超聲波穿過缺陷上下表面時，聲時差Δt小于超聲波的脈沖寬度D從而造成的缺陷上下表面回波難以區(qū)分。根據(jù)表1 中材料聲速，計算得到能夠完全區(qū)分缺陷上下表面回波時，PTFE 夾雜缺陷和富樹脂缺陷厚度分別不小于0.38 mm 和0.85 mm。

2.2 分析與討論

為了定量識別缺陷，提取超聲時域波形中缺陷波幅值最大值Amax和峭度因子K作為特征參數(shù)。峭度因子反映了超聲時域信號的分布特征，即信號波形的平緩程度，其值根據(jù)時域信號中異常幅值分量的占比而改變，能夠很好地反映缺陷信號的特征[22–24]。圖7 為超聲時域信號分布與峭度因子的關系，以信號的標準正態(tài)分布曲線作為基準，其K= 3；當K< 3 時，信號的分布曲線為負峭度；當K>3 時，則為正峭度。波形越平緩，K越小。峭度因子K計算式[24]為

圖7 超聲時域信號分布與峭度因子的關系Fig.7 Relationship between ultrasonic time-domain signals distribution and kurtosis factor

式中，X為缺陷信號；μ為均值；σ為標準差；E[]為期望函數(shù)。

提取得到兩種缺陷信號幅值最大值隨缺陷厚度變化情況，如圖8 所示?？芍S著缺陷厚度增加，兩種缺陷Amax均存在波動，分析其原因是受到缺陷上下表面回波波形疊加的影響。當PTFE 夾雜與富樹脂缺陷厚度分別為0.06 mm 和0.14 mm 時，缺陷波Amax達到最大，對應圖8（a）中點b和圖8（b）中點g，此時缺陷上下表面回波疊加情況如圖9 所示。同時對比兩種缺陷的Amax可知，由于PTFE 與基體間的界面反射能力較強，所設厚度范圍內，PTFE 夾雜缺陷Amax一直高于富樹脂缺陷。

圖8 兩種缺陷仿真時域信號幅值最大值與厚度的變化關系Fig.8 Relationship between maximum amplitude and thickness of two kinds of defect time-domain signals in simulation

圖9 Amax 最高點處缺陷上下表面回波疊加Fig.9 Superposition of upper and lower surface echoes of the defect at the highest point of Amax

提取得到兩種缺陷信號峭度因子隨缺陷厚度變化情況，如圖10 所示。隨著缺陷厚度的增加，兩種缺陷峭度因子K變化趨勢均為先上升后下降最后趨于穩(wěn)定。分析可知，本研究中混疊波幅值最大值Amax和缺陷上下表面回波聲時差Δt均會影響缺陷的混疊波波形。兩者分別從混疊波高度和寬度兩個角度對波形的平緩程度產(chǎn)生影響，從而使K值發(fā)生變化。Δt相同時，Amax越大，波形越“高”，K值越大；Amax相同時，Δt越大，波形越“寬”，K值越小。以PTFE 夾雜缺陷為例，分段討論不同厚度下K值的變化。AB階段，由于Amax的顯著增加，缺陷混疊波波形變“高”趨勢明顯，K值增加。BCD階段，點C為K值下降速率顯著變化點，對應圖8（a）中c點，此時Amax到達極小值。C點之前，即BC階段，Δt增加和Amax減小共同作用，缺陷波變得“寬”且“矮”，K值迅速減?。籆點之后，即CD階段，Amax小幅度上升導致波形變緩趨勢減慢，K值變化速率減小。DE階段，對應圖8（a）中de段，此時Amax基本保持不變，受Δt影響，混疊波波形變“寬”，K值緩慢減小，逐漸趨于穩(wěn)定。富樹脂缺陷信號峭度因子隨缺陷厚度變化趨勢與PTFE 夾雜缺陷大致相同，但由于富樹脂聲速較大，相同缺陷厚度，Δt富樹脂< ΔtPTFE夾雜，因此，相比于PTFE 夾雜缺陷，富樹脂缺陷K值變化階段整體向右移動，如圖10（b）所示。

圖10 兩種缺陷仿真時域信號峭度因子與厚度的變化關系Fig.10 Relationship between kurtosis factor and thickness of two kinds of defect time-domain signals in simulation

由上述分析可知，PTFE 夾雜和富樹脂缺陷的密度、聲速存在差異，對應不同缺陷厚度，兩種夾雜物的超聲時域信號的幅值最大值和峭度因子變化存在一定差異?？紤]到超聲檢測信號受缺陷深度、取向、形狀等多種因素影響，且實際操作中工件表面狀態(tài)、探頭耦合狀況等都會給檢測結果帶來干擾，缺陷定性還需結合復合材料制備工藝，以及制件的結構特點等進行綜合分析和研判。

3 結論

（1）基于脈沖反射法，建立了考慮CFRP 層結構彈性各向異性的多向層合板有限元模型，通過比較仿真與試驗得到的A 掃描時域信號，證明了仿真模型的有效性。

（2）仿真研究表明，當PTFE 夾雜缺陷厚度由0.03 mm 增加到0.40 mm，富樹脂缺陷厚度由0.03 mm 增加到0.85 mm 時，缺陷信號幅值最大值Amax先增加后降低最后趨于穩(wěn)定，峭度因子K變化趨勢相近。

（3）所設厚度范圍內，富樹脂缺陷幅值最大值均低于PTFE 夾雜，其峭度因子隨厚度變化趨勢滯后于PTFE 夾雜。