蜂窩夾層結構膠接面樹脂堆積的紅外熱像檢測

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（1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京理工大學 光電學院，北京 100081）

紅外熱像（熱波）檢測是一種較新的無損檢測技術，具有檢測速度快、非接觸、無污染、對構件近表缺陷和特征敏感的特點，適于復合材料構件缺陷快速檢測、在役檢測和構件修補后的檢測，如層合板的分層缺陷、蜂窩夾層結構和泡沫夾層結構的分層缺陷與脫粘缺陷的檢測。紅外熱像檢測技術已經在航空工業發達的國家中得到了大量應用，ASTM已經制定了閃光燈激勵紅外熱像檢測標準［1]和航空航天復合材料無損檢測導則［2]。國外學者和工程技術人員在紅外熱像檢測新技術研究、定量分析、工程應用研究及與其他無損檢測技術結合共同解決實際問題等方面進行了大量研究［3－7]。紅外熱像檢測技術在我國也開始受到普遍關注，近幾年相關標準開始制訂。

隨著航空技術的發展和復合材料生產工藝的日益成熟，復合材料在飛機上越來越被大量使用，其中蜂窩夾層結構由于具有較高的彎曲剛度、低熱導率、能較好地承受空氣動力學載荷以及易于大面積成型等優點，成為重要的一類復合材料。蜂窩夾層結構的質量要求包括面板與芯材膠接處要形成良好的膠瘤［8]。若膠接處局部發生樹脂堆積，致使部分區域膠層增厚，膠瘤變大，甚至形成較大膠塊或將蜂窩孔堵塞形成膠柱，而周圍伴生膠層較薄、膠瘤變小的區域，從而破壞了樹脂厚度的均勻性，影響了整體的膠接質量。有時甚至面板上會出現貧樹脂區，而貧樹脂區是一種缺陷。所以利用紅外熱像檢測技術對蜂窩夾層結構膠接面的膠接狀況進行檢測，標識出樹脂堆積的區域，不僅有助于改進蜂窩夾層結構件的生產工藝，而且有利于日后對該構件進行原位檢測時，對積水區域能夠做出快速、準確的判斷。

由于膠接面上形成的樹脂堆積并不是一種缺陷，所以目前還未見對其進行無損檢測研究的報道。文章應用脈沖熱像法對蜂窩夾層結構膠接面的樹脂堆積進行紅外熱像檢測研究，發現樹脂堆積形成的膠柱、膠塊和較厚膠層區域在紅外圖像和溫度曲線上都有明顯的特征，包括明顯的面板貧樹脂區在內都能夠被檢測出來。

1 檢測原理

文章采用的是閃光燈激勵的脈沖熱像法。這種方法采用閃光燈陣列對被測制件表面進行脈沖加熱，使用紅外熱像儀探測并記錄被測制件在激勵前后的表面溫度分布及其變化，并經過數據分析和處理獲得被測制件內部的特征、缺陷、損傷和非均勻信息。

2 建模分析

針對蜂窩夾層結構膠接面樹脂堆積的問題，建立了如圖1所示的A模型和B模型，A模型為膠層厚度正常的蜂窩格，B模型為由樹脂堆積引起的膠層厚度較厚的蜂窩格。為了研究這兩種模型在紅外熱像檢測過程中對熱激勵響應的特點，利用ANSYS軟件對模型中心區域采用一維模型求解方式進行仿真分析。熱激勵方式為脈沖寬度0.002s的脈沖加熱，加熱在t＝0的時刻開始。面板材料為GFRP，厚度為1.0mm，設膠層的正常厚度為0.2mm，較厚膠層的厚度為1.2mm，其他參數詳見表1。面板材料、樹脂、水和空氣的熱物理性質參數見表2，從該表中可以看出樹脂和水的熱物理性質與空氣相比，兩者更加接近，各個參數都在同一個數量級。

表1 模型主要參數

表2 面板材料、樹脂、水和空氣的熱物理性質參數

通過計算得到了A模型（膠層厚度正常）區域的表面溫度變化曲線和B模型（膠層較厚）區域的表面溫度變化曲線，如圖2所示。由于兩者的溫差較小，很難在圖2中把它們區分出來，所以繪制了兩者的溫差曲線，見圖3。圖3中的縱坐標值為膠層較厚區域的表面溫度減去膠層正常區域的表面溫度。在圖3中可以看到膠層較厚區域的表面溫度低于膠層正常區域的表面溫度。這是因為膠層較厚，其熱容量較大，溫度上升的幅度較小，因而表面溫度較低。而且還可以看出兩者的溫差絕對值在t＝6.4 s附近出現最大值0.038℃。依據圖3給出的結果還可以進一步推斷出：在紅外熱像檢測的原始熱像圖中膠層較厚的區域相對于膠層正常的區域表現為“暗區”。這一點將在隨后的樣件試驗中將得到證實。

圖2 膠層正常區域表面溫度與膠層較厚區域表面溫度對比

圖3 膠層較厚區域與膠層正常區域的溫差曲線

3 試驗驗證

3.1 樣件及試驗設備

樣件分別為1號和2號蜂窩夾層結構樣件，兩者均為A夾層結構。面板材料為GFRP，蜂窩材料為Nomex紙蜂窩，蜂窩格邊長2.75 mm。兩個樣件的上、下面板厚度均為1和2 mm，蜂窩高20 mm，樣件尺寸300 mm×180 mm。1號樣件面板厚度1 mm的一面中，在四個角存在明顯的貧樹脂區，中間區域很均勻；2號樣件面板厚度2 mm的一面表面很均勻。但是隨后在對這兩個面進行紅外熱像檢測時，發現了很多有趣的樣件內部信息。

試驗采用的設備包括：紅外熱像儀，工作波段為8～9μm，320×240像元，溫度靈敏度在室溫下為0.02 K，采樣頻率為60 Hz；閃光燈陣列，加熱量為9.6 kJ，脈沖寬度為2 ms。

3.2 紅外圖像

圖4為1號樣件面板厚度為1 mm一面的原始熱像圖，在圖中發現在貧樹脂區有大量的“暗斑”，此外在樣件看似均勻的大面積范圍內有大量的“小暗斑”。對原始熱圖序列進行一階微分處理得到了該檢測結果的一階微分圖，如圖5所示。原始熱像圖中的“暗斑”此時變成了“亮斑”。

2號樣件兩側面板（1 mm厚和2 mm厚）雖然從表面上看很均勻，但是在紅外熱圖中卻出現了差異明顯的明、暗區域，如圖6和7所示。依據前面建模分析得到的結果，判斷這些“暗斑”和“暗區”可能為膠層較厚的區域。于是對1號和2號樣件在圖4～7箭頭所指的部位進行了解剖。

3.3 解剖分析

在圖5中箭頭所示的區域進行了解剖，發現圖5中的“亮斑”和“小亮斑”分別為樹脂堆積形成的膠柱和大量、廣泛分布的膠塊，見圖8。

對圖6和7箭頭所示的暗區進行剖切，得到其斷面，部分結果如圖9和10所示。這些暗區為膠層較厚的區域，比周圍的膠層厚0.5～1.0 mm左右。

以上解剖分析的結果證實了先前對這些“暗斑”和“暗區”為膠層較厚區域的判斷。膠層較厚除了在熱像圖上有此類特征外，在溫度曲線上是否也存在明顯的特點，接下來將比較一下膠層正常區域和膠層較厚區域的表面溫度。

圖8 1號樣件（1 mm）解剖圖

圖9 2號樣件（2 mm）解剖圖

3.4 曲線分析

在如圖11上的貧樹脂區取一點記為A點，在膠柱處取一點記為B點，在膠層正常的區域（參考區域）取一點記為C點，在膠塊處取一點記為D點。這四點對應的溫度曲線如圖12。可見，貧樹脂區的表面溫度要高于膠層正常區域對應的表面溫度，而膠柱和膠塊對應的表面溫度要低于膠層正常區域對應的表面溫度。

圖11 1號樣件上的取點位置圖

圖12 不同取點處的溫度曲線

在如圖13上的膠層正常區域（參考區域）取一點記為A點，在膠層較厚的區域取一點記為B點。圖14給出了以上兩點的溫度曲線。可見B點的溫度在加熱結束后略低于A點的溫度，與前面得到的結果是一致的。

圖13 2號樣件上的取點位置圖

圖14 膠層正常區域與膠層較厚區域的溫度曲線

通過以上基于樣件的紅外熱像檢測試驗和解剖分析發現，由樹脂堆積造成的膠層較厚、膠柱和膠塊在紅外熱像檢測的原始熱圖中表現為“暗區”或“暗斑”，溫度曲線上表現為這些區域的溫度低于正常膠層厚度區域的溫度。這些結論與前面建模分析的結果是一致的。

4 問題與討論

水和樹脂的熱物理性質很接近，積水在紅外原始熱圖中也表現為“暗區”，見圖15。在實際的積水檢測中，積水和樹脂堆積很難區分開。因此，在制件出廠或安裝使用前進行紅外熱像檢測，將樹脂堆積的區域進行識別、記錄和存檔，為將來積水檢測提供判斷依據，也不失為一種檢測積水的有效方法。

圖15 積水的紅外熱像檢測原始熱圖

5 結論

文章通過一維模型的建模分析、樣件試驗和解剖分析得出了以下結論 ：

（1）由樹脂堆積造成的膠層較厚、膠柱和膠塊在紅外熱像檢測的原始熱圖中表現為“暗區”或“暗斑”。溫度曲線上的差別為這些區域的表面溫度低于正常膠層厚度區域的表面溫度。基于以上特征，樹脂堆積可以在紅外熱像檢測中被檢出。

（2）檢測出蜂窩與面板膠接處的樹脂堆積區域，對這些區域的位置、形狀和面積進行記錄，可以為改進生產工藝提供支持。

（3）蜂窩積水時的紅外熱像顯示與樹脂堆積類似，研究工作表明，制造階段檢測和記錄樹脂堆積情況，可以為原位檢測蜂窩積水問題提供評定的依據。

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