民机复合材料超声无损检测技术_超声无损检测新技术

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民机复合材料超声无损检测技术

摘要：随着现代航空航天业对复合材料应用的不断增多，对这些材料的检测日益成为该领域的重点和难点。本文主要介绍了一些常用的与航空航天复合材料相适应的超声无损检测技术。

关键字：航空航天 复合材料 无损检测 超声检测 C扫描检测 RF超声检测 空气耦合1.引 言

复合材料是指由两种或两种以上不同的物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥出各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天领域，近几年更是取得了飞速的发展。

然而由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，制造过程复杂，在制作成型过程中受设备、环境、人员及原材料等因素的影响极易在产品内部产生空穴、裂纹、分层、多孔、输送、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤等缺陷。在应用过程中，由于疲劳积累、撞击、腐蚀等物理化学因素影响，复合材料也容易产生脱胶、分层、基本龟裂、空隙增长、纤维断裂、褶皱变形、腐蚀坑、划伤、下陷、烧伤等缺陷，这些缺陷很大一部分还是产生在复合材料的内部[1]。这些对产品的质量和安全性能影响极大，因此，对产品的检测尤为重要。

用于复合材料无损检测的方法主要有超声、射线、磁粉、渗透、涡流、激光全息及红外无损检测技术等，超声波检测法(Ultrasonic)是广泛用于材料探伤的常用方法，也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。它主要利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷，如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等[2]。超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。因此，超声无损检测技术一直都是研究的热点，本文将对复合材料的某些超声波无损检测方法做具体的介绍。

2.复合材料及其无损检测技术特点

与传统的金属材料结构相比，复合材料结构是一种通过基体-增强物之间的物理结合和铺层设计来达到预期性能的集材料工艺于一体的新型材料结构。其最为显著的优点是材料和结构的重量-性能比(即比性能)好、可设计性强、材料利用率高和制造工序少(从材料制备到结构成型，往往仅需要一两个热循环就能完成制造)。因此，一旦进入复合材料结构制造工序，其输出结果就是结构件，而且复合材料结构越来越复杂，结构尺寸越来越大，整体结构越来越多，如飞机机翼、机身和壁板等。

复合材料的无损检测不能简单沿用金属材料检测的思维惯性和方法，而必须根据复合材料结构特点，研究和采用复合材料的无损检测技术和方法。

图1 典型的复合材料界面[3](1)由于复合材料内部各结构元素(如纤维、树脂和铺层等)之间主要是通过物理界面相结合(图1)，而且存在明显的各向异性。大量的检测结果和破坏分析表明，最容易产生缺陷的部位正是在复合材料内部的物理界面。因此，界面缺陷的检测是复合材料无损检测的重点。特别是对于复合材料层压结构，研究和掌握其结构特点，对选择和研究复合材料无损检测技术具有正确性的指导意义。(2)复合材料结构多为非厚度结构，厚度约0.3-40 mm，因此，对复合材料的检测必须结合具体的应用对象。特别值得指出的是，复合材料不允许存在表面检测盲区。对于复合材料层压结构，单个铺层的厚度小至0.125 mm，而且通常复合材料结构在厚度方向不存在加工余量之说[3]。

(3)对复合材料层压结构，必须充分考虑内部的微结构与所研究和选择的检测方法在检测机理、缺陷信号成因上的有机联系。例如，声波在复合材料中的传播特性的变化和缺陷识别方法就与复合材料内部微结构存在密切联系[3]。不能简单地根据换能器接收到的物理信号的变化判别缺陷是否存在。例如，图2是来自碳纤维层压复合材料内部的典型超声回波信号，图中F来自材料表面的声波反射，B来自材料底面的声波反射，D来自材料内部的声波反射。按照传统的超声检测思维惯例，信号D应是判别材料内部缺陷的依据。但在复合材料超声检测中，信号D并不是来自缺陷的反射波，而是材料结构变化引起的入射声波反射。

图2 复合材料内部典型超声回波信号[3](4)缺陷特点与特征总是与材料、工艺和结构密切相关，因此需要掌握这些特点，才能建立正确的复合材料判别方法。3.复合材料的超声波检测技术

3.1 超声波检测简介

超声波是指频率≥20kHz的声波，其波长与材料内部缺陷的尺寸相匹配。根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差异来确定缺陷的位置与大小。超声波检测主要分为脉冲反射法、穿透法和反射板法，根据不同的缺陷来选择合适的检测方法。

超声波不仅能检测复合材料构件中的分层、孔隙、裂纹和夹杂物等，而且在判断材料的疏密、密度、纤维取向、曲屈、弹性模量、厚度等特性和几何形状等方面的变化也有一定作用。对于一般小而薄、结构简单的平面层压板及曲率不大的构件，宜采用水浸式反射板法；对于小或稍厚的复杂结构件，无法采用水浸式反射板法时，可采用水浸或喷水脉冲反射法和接触延迟块脉冲反射法；对于大型结构和生产型的复合材料构件的检测宜采用喷水穿透法或喷水脉冲反射法。由于复合材料组织结构具有明显的各向异性，而且性能的离散性较大，因而，产生缺陷的机理复杂且变化多样，再加上复合材料构件的声衰减大，由此引起的噪声与缺陷反射信号的信噪比低，不易分辨，所以检测时应选合适的方法[4]。

超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。由于这些优点超声C扫描、RF超声检测、空气耦合式超声检测等已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。

3.2 超声C扫描检测技术

超声C扫描是通过采用计算机技术控制超声波探头的移动位置，控制超声波探伤仪（或数据采集卡）经探头发射超声波信号，并在超声波信号经过检测工件后被自身（或别的）探头接收超声波探伤仪（或数据采集卡）将获得信号进行处理，由计算机进行检测结果的显示、记录、存储，在计算机显示屏上显示整个检测区域的有无缺陷情况、缺陷大小和位置。现以检测平面构件为例加以说明其成像原理。当探头在探测平面内作X，Y方向的扫描运动时，在计算机的显示屏上有一个和零件表面相一致的直角坐标。探头在零件表面的位移和显示屏上的光点的位移 4 同步，光点的颜色对应着接收探头接收到的信号能量的大小，如果探头所在位置下面如有缺陷，则对应的信号能量将发生变化，于是在显示屏上显示一个不同颜色点[5]，成像原理如图3所示。

图3 超声C扫描成像原理

超声C扫描，由于显示直观、检测速度快等优点使其在大型复合材料构件的无损伤检测中得到了广泛的应用。由波音民用飞机集团等单位组成的研究小组用超声波研究复合材料机身层合板结构的冲击强度和冲击后的剩余强度，结果表明，超声波不仅可检测损伤，而且能确定损伤对复合材料构件承载能力的影响。Dows公司先进的复合材料实验室用超声波确定了各种损伤参数(深度、形状、面积、直径以及分层频率等)与有机纤维复合材料压缩强度的关系。为适应复合材料制造过程的在线监控，还研制了脉冲激光超声波检测系统。该系统已成功用于复合材料固化过程的远离非接触在线检测监控，包括温度分布、固一液态界面、微观结构、再生相(疏松、夹杂物)以及粘流一粘滞特性的检测[6]。

3.3 RF超声检测

3.3.1 RF超声检测的优点

RF超声检测技术具有高分辨率，可以有效实现复合材料冲击损伤、分层等缺陷的超声扫描成像检测和孔隙率数值评估，因此可以有效地实现复合材料的缺陷检测。目前该项技术已在多个型号生产和新机研制中得到广泛应用。3.3.2 合材料RF超声检测方法

纤维增强/树脂基复合材料层压结构可以被声波视为厚度hhi(i1,2,,n)的层状介质，其中hi为第i个铺层厚度，n为铺层数。声波在这种层状介质中的传 5 播特性及其变化与波长λ、铺层声学特性(如声速)及其内部均匀性密切相关，对于沿厚度方向传播的入射声波，当λ>hi时层压复合材料被声波视为均匀介质。当复合材料内部质量均匀(无缺陷)时，入射声波将会在复合材料内部均匀传播，而不会形成明显的层间反射[7]。

入射声波在缺陷周围的反射与缺陷的性能(即声阻抗)有关，通常可以利用声压反射系数表征人射声波的反射情况。若用Z和Zd分别表示复合材料和缺陷区的声阻抗，则声波在缺陷界面的声压反射系数尺可表示为：

RZZd(1)

ZZd通常由于缺陷区(如分层)的声阻抗Zd比复合材料声阻抗小得多，即Z>>Zd，因此声波中90％以上的能量将会产生反射，形成缺陷反射回波。

图4 分层区RF超声回波信号

图4是一典型的碳纤维增强/树脂基复合材料层压结构中分层区的RF超声回波信号，从图4中可以清晰地看到来自试样表面的声波反射信号F和来自分层缺陷的声波反射信号D，且F和D相位相反[7]。

由于入射声波传播声程s=tv，因此，通过测量回波信号F和D之间的时间t，可以确定损伤在复合材料厚度方向的深度hD：

hD1tv(2)2入射声波在缺陷周围形成的反射声波的幅频特性与缺陷的取向、姿态有关。当入射声波与缺陷取向表面的法向方向夹角较大时，即使入射声波在缺陷界面产生了强烈的反射，也难以接收强烈的反射回波信号。此外，入射声波在缺陷周围形成的声波反射特性还将与缺陷尺寸和声波波长有关，对于复合材料中的微气孔，入射声波在气孔周围的传播主要表现为散射特性，而且气孔越小，散射特性越明显。

通过分析表明声波在碳纤维增强/树脂基复合材料中传播特性的变化，可以得到复合材料内部缺陷或结构信息，但不同的缺陷特征或不同性能的缺陷，对声波反射特性的影响明显不同。由于复合材料层合结构特征，通常单个铺层的厚度可小至0．13mm[7]，因此必须设计采用合理的脉冲超声波检测技术，以得到一个在时间和空间上可以分辨的声波检测信号，实现对复合材料缺陷的定性定量评估和检测分析。

3.4 空气耦合式超声检测技术

3.4.1 空气耦合式超声检测技术进展

空气耦合式超声无损检测技术的进展得益于空气耦合理论、新型换能器及信号处理技术的不断进展。尽管空气耦合式超声检测技术壁垒不断，但研究工作还是取得很多成果：Dean D S系统评估了实际应用环境中空气耦合换能器的特点。Lynnworth L C，Kim B T研究开发的空气耦合式固体绝缘换能器，推动了空气耦合式超声检测技术的发展[8]。

然而目前国内对空气耦合式超声检测技术研究很少，国外许多国家已经将之应用于各种材料研究中。如比利时的E Blomme和德国的RStoeel分别对几种复合材料中(如布料上的涂层以及铝板、钢板和薄铸件)的缺陷检测，得到比较满意的结果。美国QMI公司生产的空气耦合式数字超声波探伤仪，性能可与普通超声波探伤仪相比。意大利空军已将空气耦合用于飞机复合材料检测中。由于空气耦合衰减过大，适用的频率范围最高只能在1MHz左右，而且作用距离短、带宽窄，限制了其应用范围[9]。为了达到工业化应用的目的，超声的空气耦合正向两个方向发 7 展，即①研制适用于不同用环境的空气耦合式超声波换能器。②研制适用于工业化的在线检测系统。

3.4.2 空气耦合式超声测基本原理及其理论

在空气耦合式超声检测中，由于空气和待检试样(固体材料)之间声阻抗存在巨大差异，一般相差约5个数量级，因而2个界面间的声能损失非常巨大，换能器最佳匹配层的声阻抗率Zm为:

ZmZiZ0(3)式中：Zi为固体换能器材料的声阻抗率；Z0为空气的声阻抗率。在室温下，PZT压电陶瓷的Zi约为3107瑞利，空气Z0为4.2102瑞利，按照上式计算Zm辨为1.1102瑞利[8]，如此低阻抗率的固体材料在自然界中难以寻觅，即使人工合成也有相当难度。阻抗不匹配将引起强反射、强折射等效应，进而导致接收端信号信噪比大幅降低，严重影响后续处理系统对回波信号的处理。在空气耦合式超声检测方式中，有反射式和穿透式2种检测模式，分别如图5(a)和图5(b)所示。对于反射式超声检测，可采用单换能器或双换能器，图5(a)中为单换能器。

(a)反射式空气耦合超声检测(b)穿透式空气耦合超声检测

图5 空气耦合超声检测模式[8] 超声信号进入待测试样后，经过受检材料底部反射再次为接收换能器获得，若待测试样中包含缺陷，超声信号部分能量将被缺陷反射，接收换能器能够检测到该反穿透式空气耦合超声传播路径如图6所示。

接收换能器获得的信号强度取决于4个气/固分界面的信号衰减程度，接收信 8 号信噪比可用下式来描述

PaDS/N10log4kTfNFCLALABDLEL(4)

式中：Pa为有效发射功率；k为Boltzman常数；T为绝对温度(开氏温标)；△f为接收换能器带宽；NF为噪声因子(范围1～10)，它是接收换能器电子输入阻抗与放大器噪声阻抗匹配的量度，利用射信号[8]。对于空气耦合单换能器反射超声检测模式，信号经过多次分界面的反射、折射及空气传播衰减，返回的信号非常微弱，目前实现反射式空气耦合方式还有很大的技术难度。对于穿透式检测方式，收发换能器分别置于待检试样的两侧，若待测试样中存在缺陷则缺陷的大小和形状都将对传播信号产生不同程度的反射和衰减，接收端根据信号的衰减程度判断出内部缺陷状况。基于理论研究和工程应用为背景，在此重点对穿透式空气耦合超声检测技术展开研究。

图6 穿透式空气耦合超声传播路径

电子阻抗匹配转换器或自谐振换能器可以减少噪声因子；D为发射系数；CL为发/收换能器的转换损失；AL为空气吸收损耗；DL为折射损失；EL为其他额外传输损失[8]。根据公式(4)现将制约回波信噪比提高的因数归结为以下4个方面。①气/固分界面强反射影响。②气/固分界面强折射影响。③空气吸收影响。④信号处理技术。之后再经过检测数据处理与显示，便可得到复合材料无损检测的结果。空气耦合可进行快速扫查，易实现波形的模式转换，在大面积在线实时扫查、复合材料缺陷检测、表面成像等方面有着良好的应用前景。

4.结 论

复合材料是现代飞机设计应用的重要材料，在飞机上用量达到52%，直升机上用量甚至达到70%以上。因此，未来复合材料无损检测有着广阔的发展前景，但无损检测只有与复合材料自身特点相结合，才能有效地建立合适的检测方法和技术。此外，现代工业与科技的发展使得超声检测技术在各方面也都有了长足的进步。超声检测技术正向着数字化、自动化、智能化、图像化和多领域方向发展，以实现复杂形面复合构件的超声扫描成像无损检测，满足现代质量对无损检测的要求。在复合材料规模应用的趋势下，还有许多超声检测技术难题需要不断地去研究和开发，特别是一些快速高效的超声无损检测新技术都是今后复合材料无损检测发展的重要方向。

参考文献

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