無損檢測(cè)：復(fù)合材料的超聲檢測(cè)技術(shù)

無損檢測(cè)：復(fù)合材料的超聲檢測(cè)技術(shù)

隨著我國航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，各種復(fù)合材料應(yīng)用越來越廣泛。迄今為止，戰(zhàn)斗機(jī)使用的復(fù)合材料占所用材料總量的30%左右，新一代戰(zhàn)斗機(jī)將達(dá)到 40% ;直升機(jī)和小型飛機(jī)復(fù)合材料用量將達(dá)到70%～ 80%左右，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機(jī)。復(fù)合材料及其構(gòu)件開發(fā)與應(yīng)用的迅速發(fā)展，對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)過不斷的研究、開發(fā)和完善，目前超聲檢測(cè)已成為最主要和成熟的復(fù)合材料無損檢測(cè)方法之一。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多種多樣，要求也不盡相同，僅僅利用超聲檢測(cè)方法還難以勝任其質(zhì)量的檢測(cè)與評(píng)定，實(shí)際檢測(cè)工作中往往需要針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象和要求，采用不同的檢測(cè)技術(shù)和方法。

超聲檢測(cè)在復(fù)合材料研究及其制造中的應(yīng)用

復(fù)合材料無損檢測(cè)主要應(yīng)用于以下3 個(gè)方面：材料無損檢測(cè);結(jié)構(gòu)無損檢測(cè);服役無損檢測(cè)。材料無損檢測(cè)主要解決材料研究中面臨的問題，進(jìn)行諸如材料內(nèi)部缺陷表征、性能測(cè)試、缺陷基本判據(jù)的建立、無損檢測(cè)物理數(shù)學(xué)模型的建立等研究，其檢測(cè)對(duì)象主要是試樣、試片。結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)主要解決結(jié)構(gòu)在工藝制訂、結(jié)構(gòu)件制造過程中面臨的問題，如對(duì)各種結(jié)構(gòu)件進(jìn)行無損檢測(cè)所需的儀器設(shè)備等檢測(cè)手段的建立、信號(hào)處理技術(shù)、缺陷判別、標(biāo)準(zhǔn)建立與完善等，檢測(cè)的對(duì)象是各種裝機(jī)應(yīng)用的工程結(jié)構(gòu)件。服役無損檢測(cè)主要研究裝機(jī)結(jié)構(gòu)件在服役過程中所需的無損檢測(cè)方法、手段等，包括提供有關(guān)結(jié)構(gòu)件殘余壽命、剩余強(qiáng)度、損傷擴(kuò)展等綜合信息的評(píng)估，檢測(cè)的對(duì)象是裝機(jī)后的各種服役結(jié)構(gòu)件。大量的研究和應(yīng)用表明，超聲檢測(cè)是目前對(duì)于復(fù)合材料最為實(shí)用有效、應(yīng)用最為廣泛的無損檢測(cè)技術(shù)，它能可靠地檢測(cè)出復(fù)合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。下表給出了幾種常見復(fù)合材料超聲檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)。

復(fù)合材料制品超聲檢測(cè)方法

1 超聲C 掃描檢測(cè)技術(shù)

超聲探頭接收到的脈沖回波具有不同的圖像顯示方式，常見的有A型顯示、B 型顯示和C 型顯示。A型顯示是基礎(chǔ)，其他兩種顯示方式均由A型顯示的數(shù)據(jù)重建得到。其中，C 型顯示是一種在一定深度探測(cè)的顯示方式，圖像上的縱、橫坐標(biāo)分別表示探頭在被檢體表面上的縱、橫坐標(biāo)，所以C型顯示的結(jié)果是與掃描平面平行的一幅截面圖像，并作為最常用的顯示結(jié)果提供給最終用戶。

超聲C 掃描是具有C 型顯示功能的探傷方法，在宏觀缺陷檢測(cè)中，常用頻率為0.5 ～ 25 M H z的探頭，采用脈沖反射法進(jìn)行檢測(cè)。超聲C 掃描由于顯示直觀，檢測(cè)速度快，已成為大型復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的技術(shù)。目前C掃描檢測(cè)技術(shù)能夠清晰地檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中體積分布類缺陷。 K.Lemster 在研究金屬基復(fù)合材料的機(jī)械性能時(shí)，使用超聲C掃描對(duì)材料內(nèi)部的均勻性和裂紋進(jìn)行了檢測(cè)。國內(nèi)魏勤等人利用超聲C掃描對(duì)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料試樣進(jìn)行了檢測(cè)，可以清晰地看出材料中的團(tuán)聚和孔洞。浙江大學(xué)王艷穎針對(duì)大型非對(duì)稱復(fù)合材料構(gòu)件提出了一種超聲C掃描檢測(cè)方法，該方法集機(jī)器人、反求工程、超聲成像、超聲信號(hào)處理等多學(xué)科技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)對(duì)構(gòu)件曲面跟蹤和靈敏度實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)墓δ堋侨鹈鞑捎枚?strong>傳感器信息融合技術(shù)，通過仿形測(cè)量和重建模型的方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料超聲C掃描的一般過程，準(zhǔn)確檢測(cè)出了復(fù)合材料的缺陷。但如要求有更精確的復(fù)合材料定量檢測(cè)技術(shù)，特別是對(duì)于新型復(fù)合材料，如縫編結(jié)構(gòu)及陶瓷基復(fù)合材料等，要了解和掌握這類材料內(nèi)部缺陷的分布情況和含量，常規(guī)的C掃描往往難以勝任。

2 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

導(dǎo)波是指由于介質(zhì)邊界的存在而產(chǎn)生的波，在介質(zhì)尺寸跟聲波波長(zhǎng)可比的情況下，介質(zhì)中的波以反射或折射的形式與邊界發(fā)生作用并多次來回反射，發(fā)生縱波與橫波間的模態(tài)轉(zhuǎn)換，形成復(fù)雜的干涉，呈現(xiàn)出了多種傳播形式，形成各種類型的導(dǎo)波。導(dǎo)波本質(zhì)上還是由縱波、橫波等基本類型的超聲波以各種方式組成的。導(dǎo)波的主要特性包括頻散現(xiàn)象、多模式和傳播距離遠(yuǎn)。超聲導(dǎo)波檢測(cè)是一種快速大范圍的初步檢測(cè)方法，一般只能對(duì)缺陷定性，而定量是近似的，對(duì)可疑部位仍需要采用其他檢測(cè)方法才能作出最終的評(píng)估。

由于導(dǎo)波檢測(cè)具有快速方便的應(yīng)用特點(diǎn)，目前已成為超聲檢測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。T . K u n d u 采用L a m b波掃描了復(fù)合材料的缺陷，建立了線掃描方法和缺陷成像技術(shù)。K . M a s l o v 研究了5 層纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中使用漏L a mb 波檢測(cè)內(nèi)部缺陷的模式選擇方法，把應(yīng)力和位移的變化作為是否存在缺陷的判別依據(jù)。N.Toyama 研究了復(fù)合材料橫向裂紋和分層缺陷對(duì)S0 模式L a m b波速度的影響。T . R .H a y 分析了復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播，使用Guided UltrasoNIcs公司生產(chǎn)的應(yīng)力波分析儀對(duì)蜂窩板的脫粘缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。法國M.Castaings 等人用Lamb波對(duì)EADS-ASTRIUM公司的高壓復(fù)合材料油箱進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，激發(fā)了識(shí)別為A0 模式的L a m b波，在傳播過程中對(duì)碳纖維環(huán)氧體復(fù)合材料的微裂紋較為敏感，試驗(yàn)結(jié)果有很好的信噪比，為使用中的高壓復(fù)合材料油箱提供了無損健康監(jiān)測(cè)的可能性。 M.Castaings等人還在玻璃環(huán)氧體復(fù)合材料中激發(fā)了L a m b 波和S H導(dǎo)波，研究了不同模式下的相速度的變化，獲得的結(jié)果與理論有良好的一致性。國內(nèi)如北京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的主要精力集中在大型板殼、管道、鐵軌等方面，其中部分產(chǎn)品已投入實(shí)際使用。北京航空航天大學(xué)無損檢測(cè)研究室開展了大型復(fù)合材料板殼粘接質(zhì)量的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)研究，對(duì)鋁蒙皮蜂窩板的脫粘缺陷進(jìn)行了導(dǎo)波線掃描檢測(cè)。

3 空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)超聲無損檢測(cè)方法由于需要使用耦合劑，無法適用于某些航空航天用復(fù)合材料構(gòu)件的檢測(cè)，主要原因是耦合劑會(huì)使試樣受潮或變污，且有可能滲入損傷處，這會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)方法是解決這個(gè)問題的可行途徑之一?？諝怦詈铣暀z測(cè)是以空氣作為耦合介質(zhì)的一種非接觸超聲檢測(cè)方法，它可以實(shí)現(xiàn)真正的非接觸檢測(cè)，不存在換能器的磨損，可進(jìn)行快速掃描。另外，空氣耦合超聲檢測(cè)容易實(shí)現(xiàn)縱波到橫波、板波和瑞利波等的模式轉(zhuǎn)換，而研究結(jié)果表明，在復(fù)合材料檢測(cè)中，橫波、板波和瑞利波比縱波的靈敏度高，空氣耦合超聲檢測(cè)的這一優(yōu)點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的檢測(cè)和材料特性的表征。目前，國外已開始將空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)用于某些復(fù)合材料板的檢測(cè)，可以檢測(cè)出脫粘、脫層、氣孔、夾雜和纖維斷裂等缺陷，可以解決傳統(tǒng)液體耦合超聲檢測(cè)方法不能解決的問題。但是，空氣耦合超聲檢測(cè)的信號(hào)衰減很大，聲阻抗較高的材料很難實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，必須采用特殊機(jī)制來改進(jìn)，而且采用脈沖回波法進(jìn)行檢測(cè)的難度較大，多數(shù)采用穿透法檢測(cè)和斜入射檢測(cè)。

立陶宛考納斯科技大學(xué)的K a z y s 等人采用斜入射同側(cè)檢測(cè)方式，研究了航空用復(fù)合材料垂直結(jié)構(gòu)蜂窩板中A0 模式L a mb 波的板邊回波特性，由于損傷區(qū)域有很強(qiáng)的能量泄漏，所以可用于檢測(cè)脫粘和結(jié)構(gòu)損傷等缺陷，并估計(jì)其大小。波蘭格坦斯克科技大學(xué)的Imi el i n s k a等人采用空氣耦合探頭和穿透式超聲C 掃描技術(shù)對(duì)多層聚合體復(fù)合材料的沖擊損傷進(jìn)行了檢測(cè)研究，與X射線檢測(cè)結(jié)果比較后表明，該方法更快、更方便、更準(zhǔn)確，且可用于檢測(cè)一些X 射線無法檢測(cè)的材料。美國愛荷華州立大學(xué)無損檢測(cè)中心的H S U 和印度G E 全球研究中心的Kommareddy等合作，利用壓電陶瓷空氣耦合換能器，開展了復(fù)合材料零部件的缺陷檢測(cè)和修復(fù)評(píng)價(jià)的研究工作，并研制了相應(yīng)的空氣耦合超聲掃描系統(tǒng)，在飛機(jī)零部件陣地探傷中得以使用;英國倫敦大學(xué)的Berketis等人利用空氣耦合超聲檢測(cè)方法對(duì)潛艇用玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的損傷和退化進(jìn)行了檢測(cè)和評(píng)價(jià)，獲得了用水耦合超聲檢測(cè)方法得不到的效果。丹麥國家實(shí)驗(yàn)室的Bo r u m 與丹麥工業(yè)大學(xué)的Berggreen等人合作，利用空氣耦合超聲波，采用穿透法，對(duì)海軍艦艇用層狀疊合復(fù)合材料板進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，該方法可以檢測(cè)出上述材料板中的脫粘。

4 激光超聲檢測(cè)技術(shù)

激光超聲是目前國內(nèi)外研究最活躍的非接觸超聲檢測(cè)方法之一。它利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時(shí)熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，形成熱應(yīng)力，在物體內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。激光超聲檢測(cè)可分3種：一種用激光在工件中產(chǎn)生超聲波，用P Z T 等常規(guī)超聲探頭接收超聲波進(jìn)行檢測(cè);另一種用P Z T等常規(guī)超聲波探頭激勵(lì)超聲波，用激光干涉法檢測(cè)工件中的超聲波;還有一種用激光激勵(lì)超聲波，并用激光干涉法檢測(cè)工件中的超聲波，此法是純粹意義上的激光超聲檢測(cè)技術(shù)。超聲波的激勵(lì)或探測(cè)可通過激光進(jìn)行，不需要耦合劑，因而可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸檢測(cè)，檢測(cè)距離可從幾十厘米到數(shù)米。所激發(fā)的超聲波具有很寬的頻帶，從幾百kH z到幾G Hz，可用于薄膜測(cè)量分析等一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合。而且探測(cè)激光可聚焦到非常小的點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)微米的空間分辨力。此外，激光超聲源能同時(shí)激發(fā)縱波、橫波、表面波以及各種導(dǎo)波，是試驗(yàn)驗(yàn)證各種復(fù)雜媒質(zhì)中聲傳播理論的有效手段。近年來，已發(fā)展成超聲學(xué)中的重要分支，并在激光超聲信號(hào)的激發(fā)與接收、傳播以及應(yīng)用等方面取得很大進(jìn)展。

激光超聲檢測(cè)的快速、遠(yuǎn)距離和高分辨力等特性適用于常規(guī)壓電檢測(cè)技術(shù)難以檢測(cè)的形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或尺寸較小的復(fù)合材料以及材料的高溫特性等研究，如飛機(jī)上各個(gè)部件的定位和成像等。加拿大A.Blouin用激光超聲研究了蜂窩芯復(fù)合材料的分層、脫粘等缺陷。美國洛克希德·馬丁公司開發(fā)了 LaserUT 激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，在檢測(cè)F -22 復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)獲得了清晰的B 掃描、C掃描圖像，不需要任何特殊夾具，檢測(cè)時(shí)間大大縮短，達(dá)到了傳統(tǒng)超聲無法達(dá)到的效果。國內(nèi)錢夢(mèng)騄等在激光超聲的特性和檢測(cè)各種材料的力學(xué)特性方面進(jìn)行了大量的研究。劉松平研究了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中常見缺陷的激光超聲信號(hào)特性與缺陷識(shí)別評(píng)估方法。利用激光發(fā)射-超聲接收檢測(cè)系統(tǒng)有效地提取了反映復(fù)合材料中缺陷的聲波信息，并可進(jìn)行缺陷的判別，確定缺陷的性質(zhì)。

盡管激光超聲在復(fù)合材料檢測(cè)中取得了很大的進(jìn)展，但現(xiàn)階段仍存在 2個(gè)主要問題：一個(gè)是光聲能量的轉(zhuǎn)換效率較低;另一個(gè)是激光超聲信號(hào)微弱，需要提高檢測(cè)靈敏度。適當(dāng)增大激光的能量，可提高激光超聲信號(hào)強(qiáng)度。但當(dāng)能量增大到一定程度時(shí)，又容易將材料的表面灼傷。因此，揭示激光發(fā)聲機(jī)理、提高光聲轉(zhuǎn)換效率及其檢測(cè)靈敏度已成為激光超聲研究的3個(gè)主要方向。

5 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種多聲束掃描成像技術(shù)，它所采用的超聲檢測(cè)探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，陣列單元在發(fā)射電路激勵(lì)下以可控的相位激發(fā)出超聲，產(chǎn)生的球面波在傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束。

相控陣超聲探頭由晶片陣列組成，各聲束相位可控，可用軟件控制聚焦焦點(diǎn)，不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭就能掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域。通過優(yōu)化控制焦柱長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸和聲束方向，使得相控陣超聲在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性。

在實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用和研究中，設(shè)計(jì)形狀巧妙的探頭已成為解決可達(dá)性差和空間限制問題的有效手段，英國R.J.Freemantle等人用一種新穎的相控陣超聲探頭檢測(cè)大面積航空復(fù)合材料構(gòu)件，把相控陣陣列安裝在橡膠滾輪中，該滾輪既可手動(dòng)也可自動(dòng)控制，能有效檢出航空復(fù)合材料構(gòu)件中的裂紋及未貼合等缺陷。 Ol y m p u s 無損檢測(cè)公司的J.Habermehl 等人用該公司的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)OmniScanTMPA對(duì)飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料平板構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，不僅比傳統(tǒng)超聲檢測(cè)速度快而且成像效果好。J.Habermehl等人還設(shè)計(jì)了專門檢測(cè)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎管的弧形相控陣探頭，為檢測(cè)圓角聯(lián)接的構(gòu)件提供了快速可靠的方法。

6 非線性超聲檢測(cè)技術(shù)

非線性超聲檢測(cè)是利用超聲波在材料中傳播時(shí)，介質(zhì)或微小缺陷與它相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行材料性能的評(píng)估和微小缺陷的檢測(cè)，本質(zhì)上反映的是微小缺陷對(duì)材料非線性的影響。傳統(tǒng)超聲無損檢測(cè)使用的檢測(cè)超聲波幅值極小，即由超聲波傳播時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變均為極小值，此時(shí)介質(zhì)中超聲波的傳播遵循線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)使用大幅度的超聲波(有限幅度超聲)檢測(cè)時(shí)，超聲波傳播時(shí)受介質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非線性的影響增強(qiáng)，超聲非線性響應(yīng)信號(hào)幅度變大，使描述傳統(tǒng)超聲的線性波動(dòng)方程增加了諧波部分。把波動(dòng)方程中的二次諧波與基波(即線性項(xiàng))的系數(shù)比值定義為非線性聲參量B/ A。非線性聲參量B / A 比值的大小反映了超聲在傳播過程中非線性效應(yīng)的強(qiáng)弱。B / A的測(cè)量方法有有限振幅絕對(duì)測(cè)量法、有限振幅相對(duì)測(cè)量法和改善的熱力學(xué)方法等。

研究表明，超聲波在貼合(Kissing Bonds)的接觸界面上傳播顯示出非常明顯的非線性，出現(xiàn)較多的非常規(guī)諧波和非線性波形畸變。英國C.J.Brotherhood等人用常規(guī)超聲、電磁超聲和非線性超聲3種超聲檢測(cè)方法對(duì)在膠接中產(chǎn)生的貼合(非粘接)缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，并在檢測(cè)的過程中對(duì)接觸面施加載荷。在外加載荷較低的情況下，非線性超聲具有3者中最高的靈敏度。

結(jié)束語

復(fù)合材料由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、材料特性多樣，單一的超聲檢測(cè)方法難以勝任所有的檢測(cè)需求。實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)針對(duì)各種復(fù)合材料的特點(diǎn)，選擇適合的檢測(cè)方法，或使用多種方法配合，互相補(bǔ)充，來完成不同的檢測(cè)任務(wù)。除上述方法外，電磁超聲、聲-超聲等方法也可應(yīng)用于復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)，但應(yīng)用較少，在此不再贅述。超聲無損檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)人體無害、成本低、操作簡(jiǎn)便，它必將在復(fù)合材料的無損檢測(cè)領(lǐng)域中發(fā)揮出更大的作用。