復(fù)合材料雷擊損傷超聲成像檢測*

中 航 復(fù) 合 材 料 有 限 責(zé) 任 公 司 劉松平 劉菲菲 王文貴

南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室 陸銘慧

復(fù)合材料因其減重和卓越的綜合性能和制造工藝優(yōu)勢，已經(jīng)在飛機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在新型飛機(jī)設(shè)計研發(fā)中，復(fù)合材料裝機(jī)用量已成為飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志和提升市場競爭力的技術(shù)籌碼。例如，波音787飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的50%[1]。但一旦復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)損傷時，可能會影響其力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)安全性。因此，一直以來，有不少的業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者在研究損傷對復(fù)合材料性能的影響[1-6]。在眾多的復(fù)合材料損傷中，雷擊損傷是業(yè)內(nèi)高度關(guān)注的一種損傷形式。一方面，由于復(fù)合材料自身不良的導(dǎo)電性，容易產(chǎn)生雷擊損傷；另一方面，飛機(jī)在飛行過程中，經(jīng)常會遇到雷雨天氣，不可避免地會受到雷電襲擊，從而造成雷擊損傷，嚴(yán)重時會影響到飛機(jī)的飛行安全。因此，復(fù)合材料雷擊損傷的無損檢測受到業(yè)內(nèi)高度關(guān)注，先后有不少學(xué)者開展了復(fù)合材料雷擊損傷的無損檢測技術(shù)研究[1，7]。

本文針對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，設(shè)計制備了不同的復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣，通過雷擊模擬，對復(fù)合材料試樣進(jìn)行雷擊沖擊，然后，基于超聲反射原理，利用高分辨率脈沖超聲自動掃描成像檢測方法，揭示復(fù)合材料受到雷擊后在復(fù)合材料試樣中引起的損傷及行為特征。

試樣制備與試驗方法

1 試樣制備

針對目前飛機(jī)上已經(jīng)普遍采用的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，設(shè)計制備了典型的復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣，試樣增強(qiáng)體為T700纖維，基體為BA9916環(huán)氧樹脂，試樣大小約150mm×100mm，厚度約3mm，試樣為多向鋪層結(jié)構(gòu)，采用熱壓罐成型工藝制造而成，試樣表面未加任何雷擊防護(hù)涂層。對設(shè)計制備好的復(fù)合材料試樣進(jìn)行閃電沖擊試驗，如圖1所示，利用閃電沖擊模擬雷擊，將閃電設(shè)備的放電端子置于復(fù)合材料試樣的中心位置上方，進(jìn)行雷擊放電模擬。閃電電壓U和電流I通過閃電設(shè)備設(shè)置，其雷擊模擬原理是，通過閃電設(shè)備中的高壓單元對電容進(jìn)行充電，形成放電高壓，然后，控制高壓電容快速放電，通過放電端子在試樣上方產(chǎn)生一個瞬時高壓放電脈沖，對試樣進(jìn)行閃電沖擊，形成雷擊作用，雷擊電壓約為50kV，放電電流約為27kA。

圖1 雷擊試驗方法

圖2 超聲成像檢測方法

2 超聲成像檢測方法

超聲成像檢測是基于聲波的傳播行為，入射聲波在復(fù)合材料內(nèi)部傳播，當(dāng)在其傳播路徑上出現(xiàn)損傷或者缺陷時，則入射聲波原來的傳播行為會發(fā)生某些改變，這種變化與損傷區(qū)的聲學(xué)特性和幾何特征等有關(guān)，如在損傷周圍，入射聲波將會產(chǎn)生反射。理論上，入射聲波在損傷區(qū)的反射可以近似表示為：

式中，ur為入射聲波在復(fù)合材料/損傷界面形成的反射聲波，R為入射聲波在復(fù)合材料/損傷界面的聲壓反射系數(shù)，與復(fù)合材料和損傷的密度和聲速有關(guān)，ui為復(fù)合材料/損傷界面的入射聲波。

通過專門的超聲檢測設(shè)備，對被檢測復(fù)合材料進(jìn)行掃描，提取每個檢測位置點的ur，即可實現(xiàn)檢測結(jié)果的超聲成像?；诖嗽?，對經(jīng)過雷擊試驗后的復(fù)合材料試樣進(jìn)行超聲反射法檢測試驗分析，超聲檢測試驗系統(tǒng)采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司（ACC）生產(chǎn)的CUS-21J，如圖2所示，主要由超聲換能器、超聲單元、信號處理單元、（x，y，z）掃描機(jī)構(gòu)、掃描控制單元、成像系統(tǒng)和顯示單元等幾部分構(gòu)成。通過超聲單元產(chǎn)生高質(zhì)量超聲波激勵信號，激發(fā)換能器產(chǎn)生具有單周特性的超聲脈沖入射聲波up，換能器采用ACC生產(chǎn)的FJ-1高分辨率超聲換能器， 通過耦合介質(zhì)入射到被檢測復(fù)合材料試樣中，在試樣中形成入射聲波ui，然后，利用換能器接收來自試樣中的超聲反射回波ur，經(jīng)過超聲單元進(jìn)行前置處理后，由信號處理單元將ur轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。同時換能器在掃描控制單元作用下，通過（x，y，z）掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動換能器對試樣進(jìn)行掃描，并通過控制系統(tǒng)實時將對應(yīng)每個檢測點位置信息傳送到成像系統(tǒng)，將來自換能器的超聲檢測信息和位置信息進(jìn)行重構(gòu)，形成成像信號，從而將對應(yīng)的檢測結(jié)果在顯示單元實時顯示。通過選擇超聲掃描模式，實現(xiàn)對雷擊試樣超聲C-掃描和B-掃描成像，從而揭示雷擊在試樣中形成的沖擊損傷及其行為規(guī)律。由于所采用的超聲檢測系統(tǒng)的近表面盲區(qū)和縱向分辨率可達(dá)到單個復(fù)合材料厚度，約0.13mm。因此，即使雷擊在試樣表面和近表面產(chǎn)生的損傷也將能夠非常清晰地再現(xiàn)出來。

檢測結(jié)果與分析

1 缺陷表征方法

為了分析閃電在復(fù)合材料試樣中引起的雷擊損傷面積和分布特征，采用圖3所示的缺陷表征方法：（1）用Lsx表示閃電在復(fù)合材料試樣表面引起的雷擊損傷在x方向的取向長度（即x方向投影長度），x方向亦為復(fù)合材料試樣的長度方向，用L表示閃電在復(fù)合材料試樣內(nèi)部引起的雷擊損傷在x方向的取向長度（即x方向投影長度），x方向亦為復(fù)合材料試樣的長度方向；（2）用L表示閃電在復(fù)合材料試樣表面引起的雷擊損傷在y方向的取向長度（即y方向投影長度），用L表示閃電在復(fù)合材料試樣內(nèi)部引起的雷擊損傷在y方向的取向長度，y方向亦為復(fù)合材料試樣的寬度方向。在同樣的條件下，L或L越大，表示閃電在復(fù)合材料試樣表面或者內(nèi)部引起的雷擊損傷在x方向取向越明顯，沿x方向擴(kuò)展越大；L或L越大，表示閃電在復(fù)合材料試樣表面或者內(nèi)部引起的雷擊損傷在y方向取向越明顯，沿y方向擴(kuò)展越明顯。

2 結(jié)果與分析

圖3 損傷表征方法

圖4 雷擊損傷目視檢測結(jié)果

圖4是經(jīng)過雷擊后，在復(fù)合材料試樣表面形成的目視損傷檢測結(jié)果，從圖4中可以清晰地看出：（1）在試樣中心位置，損傷最嚴(yán)重，且試樣表面纖維出現(xiàn)了非常明顯的“起毛”和燒傷情況，如圖中白色箭頭標(biāo)示的損傷，這主要是由于在試樣中心位置，是放電端子作用位置，也是雷擊脈沖主瓣作用區(qū)域，因而放電電流最大，造成的損失最明顯；（2）雷擊損失在試樣45°方向有一個明顯的取向分布特征，這可能與試樣中鋪層纖維的取向有關(guān)；（3）在試樣表面雷擊損傷區(qū)還可以清晰地看出許多呈現(xiàn)隨機(jī)分布的“鼓包”損傷，其大小不一，如圖中白色箭頭所標(biāo)示的區(qū)域，這主要是由于雷擊過程，不同能量放電脈沖“火花”與試樣表面相互作用產(chǎn)生的雷擊損傷；（4）雷擊在試樣表面形成的損傷具有明顯的面積分布特點和取向特征，其中，雷擊損傷在X方向的最大投影長度L≈83mm、在Y方向的最大投影長度L≈112mm。不過，從圖4中的目視檢測結(jié)果難以得到雷擊在試樣內(nèi)部產(chǎn)生的損傷情況，這可以通過超聲檢測方法來揭示雷擊在試樣內(nèi)部產(chǎn)生的損傷情況。

圖5 雷擊損傷超聲C-掃描檢測結(jié)果

圖5是試樣中雷擊損傷的超聲C-掃描成像結(jié)果，從圖中可以清晰地看出：（1）雷擊在試樣內(nèi)部產(chǎn)生的損傷面積和區(qū)域，如圖中白色虛線所標(biāo)示的區(qū)域；（2）圖5中顯示的內(nèi)部雷擊損傷與圖4中顯示的表面目視雷擊損傷所反映出的分布取向特征相一致；（3）圖5中顯示的內(nèi)部雷擊損傷幾乎連成片，而在圖4中則呈現(xiàn)了許多分散分布的小“鼓包”損傷，這是因為C-掃描反映的是試樣內(nèi)部雷擊損傷在厚度方向的投影疊加后的結(jié)果；（4）內(nèi)部雷擊損傷與表面雷擊損傷存在一定的拓展聯(lián)系，比較圖4和圖5中顯示的雷擊損傷區(qū)域分布形狀，不難看出二者存在相一致的面積擴(kuò)展趨勢聯(lián)系，如圖4和圖5中虛線所標(biāo)示的損傷區(qū)域所示，這主要是由于雷擊脈沖能量從試樣表面沿厚度方向向其內(nèi)部擴(kuò)展所致；（5）從圖5中可以十分清晰地看出在非雷擊作用區(qū)，其成像灰度分布非常均勻，表明試樣內(nèi)部這些區(qū)域沒有出現(xiàn)雷擊損傷；（6）從圖中超聲C-掃描結(jié)果可以得出雷擊損傷在X方向的最大投影長度、在Y方向的最大投影長度，顯然，比圖4中顯示的雷擊損傷在X方向的最大投影長度約大41mm、在Y方向的最大投影長度約大60mm，即，，由此可見，雷擊在復(fù)合材料內(nèi)部引起的損傷要比表面損傷大的多。為了揭示雷擊損傷在試樣厚度方向的分布與拓展情況，對雷擊試樣進(jìn)一步開展了超聲B-掃描成像檢測分析。

圖6是對復(fù)合材料試樣進(jìn)行超聲B-掃描成像檢測的結(jié)果，對應(yīng)試樣中心位置附近的其中一個斷面位置，聲波從試樣雷擊作用區(qū)的對側(cè)入射，圖中F和B分別對應(yīng)試樣的表面和底面（雷擊作用區(qū)一側(cè)）。從圖6中可以非常清晰地看出：（1）試樣斷面輪廓，表明入射聲波完全穿透了試樣，并在試樣底面和表面形成了清晰的聲波反射，也表明入射聲波能夠有效傳播到雷擊損傷區(qū)；（2）從圖6中灰度分布，可以清晰地看出試樣內(nèi)部鋪層分布特征，即層壓鋪層拓展分布情況，如圖6中沿水平方向呈現(xiàn) “波浪”狀分布的白色灰度條帶所示，這主要得益于采用高分辨率超聲檢測技術(shù)，采用圖2所示的超聲掃描成像試驗系統(tǒng)，回波脈沖特性可以達(dá)到單個周期，此時，其檢測分辨率和表面檢測盲區(qū)可以穩(wěn)定地達(dá)到單個復(fù)合材料鋪層的厚度，約0.13mm[8]；（3）從圖6中可以非常清晰地看出，雷擊損傷明顯位于試樣近表面，這表明閃電電壓在50kV、電流在27kA左右時，雷擊在復(fù)合材料試樣中產(chǎn)生的損傷主要位于復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)表面和近表面，從圖6中不難得出雷擊損傷在試樣厚度方向主要分布在約0～0.5mm的深度范圍，即此時，雷擊主要是造成試樣近表面幾個纖維鋪層的破壞；（4）從圖6中還可以非常清晰地看出雷擊損傷沿試樣厚度方向分布特征，即雷擊損傷區(qū)由若干個不同位置和深度的小損傷構(gòu)成，如圖白色箭頭所標(biāo)示的白色灰度區(qū)，這與圖4中目視檢測結(jié)果相一致；（5）從圖6中超聲B-掃描結(jié)果，還可以看出，雷擊損傷由試樣表面向內(nèi)部的增進(jìn)和拓展特征，這主要是因為，在進(jìn)行超聲B-掃描成像檢測時，所采用的超聲系統(tǒng)能夠有效提取到來自位于不同深度鋪層的損傷的聲波信息，因而，在圖6中可以清晰地看出損傷的構(gòu)成特征和沿試樣深度方向的拓展細(xì)節(jié)。因此，從圖6中的超聲B-掃描結(jié)果，可以十分清晰地揭示出雷擊損傷在試樣斷面深度位置和沿試樣厚度方向的分布特征，與超聲C-掃描結(jié)果相結(jié)合，即可得到雷擊損傷在試樣中的3D分布。

圖6 雷擊損傷超聲B-掃描檢測結(jié)果

結(jié) 論

（1）在雷擊電壓為50kV、電流為27kA時，雷擊在T700/BA9916碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生明顯的目視表面損傷和內(nèi)部損傷，損傷深度分布主要位于0～0.5mm范圍內(nèi)。

（2）采用高分辨率脈沖超聲反射法，通過超聲C-掃描成像方法，可以非常有效和清晰地揭示雷擊在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的損傷區(qū)域、面積、沿鋪層方向的取向等損傷行為特征。在超聲C-掃描成像中損傷分布特征與試樣表面目視觀察到得的損傷存在一致的關(guān)聯(lián)特征，不過，利用超聲C-掃描成像檢測方法，能夠更加有效地檢出復(fù)合材料內(nèi)部的雷擊損傷及其確切的分布特征、大小等。

（3）超聲C掃描成像結(jié)果表明，雷擊在復(fù)合材料內(nèi)部引起的損傷要比在表面引起的損傷大的多。

（4）借助高分辨率超聲B-掃描成像方法，可以十分有效地揭示出雷擊損傷在復(fù)合材料試樣斷面中的分布、深度及其在厚度方向的拓展特征，與超聲C-掃描相結(jié)合，可以非常有效的得到雷擊損傷在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的3D分布特征，而且利用所采用的高分辨率超聲B-掃描成像技術(shù)，還可以得到復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)厚度方向的鋪層拓展特征。

因此，所研究的高分辨率超聲反射法及其成像檢測技術(shù)和檢測系統(tǒng)為復(fù)合材料雷擊損傷的無損檢測與損傷行為的研究提供了一種非常有效的檢測手段。目前，該項檢測技術(shù)及其超聲檢測系統(tǒng)已經(jīng)得到了大量的實際檢測應(yīng)用，取得了非常好的檢測效果。

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