超聲檢測在復合材料中的應用現狀

朱學耕

（中國人民解放軍裝甲兵工程學院，中國 北京 100072）

復合材料具有高強度、低密度、易加工成型、彈性良好、耐腐蝕等優點[1]，已廣泛的應用在航空航天、汽車以及船舶關鍵零件的制造，其中在航空航天領域發展最快，在舊一代的戰斗機中復合材料已占使用材料總量的30%，在小型飛機中復合材料所占的比重能夠達到80%左右，甚至某些小型飛機已實現完全復合材料化[2]。復合材料在航空航天領域的廣泛使用，使得對其進行質量檢測尤為重要，由于復合材料的造價較高，因此需要對其保持無損檢測，常用的無損檢測方法有上百種，經過不斷的實踐，目前超聲檢測是對其進行質量監測的最常用、最成熟的檢測方法。

1 超聲檢測原理

超聲檢測的發展已經有一百年的歷史，在其應用的案例中，主要是應用反射法和透射法進行檢測。反射法就是聲波在傳播的過程中遇到缺陷后聲波沿著相反的路徑返回，反射的聲波被晶片吸收，進而通過檢測儀對接收的信號進行處理最后形成缺陷信號；透射法一般是兩個探頭放在工件對稱的位置，一個探頭發射聲波，另一個探頭接收透射的聲波，根據接收聲波的回波聲壓判斷工件中是否有缺陷。

2 超聲檢測在復合材料中的應用

對于復合材料來說，超聲檢測主要應用于對服役構件的在役檢測，以及對復合材料的性能無損表征，本文主要從這兩個方面對其進行綜述。

2.1 缺陷檢測

金屬零件內的缺陷超聲檢測方法同樣的適用于復合材料中缺陷評價，對于其內部的孔狀缺陷來說目前主要是利用超聲C 掃描、相控陣超聲檢測、超聲導波檢測技術等。

超聲C 掃描是超聲檢測的一種顯示方式，它是在A 信號的基礎上對信號進行處理，得到的一種垂直于缺陷的顯示結果，它具有顯示直觀，操作簡便，可以對缺陷進行定量分析等優點，而且對孔狀缺陷的顯示比較清晰。國內有江蘇大學的魏勤利用超聲C 掃描對SiC 顆粒增強鋁基復合材料試件進行研究，研究表明利用該方法能夠清晰的檢測到材料中的孔狀缺陷，并且能夠對材料中的團聚現象有一定的顯示[3]。浙江大學將機器人、反求工程、超聲信號處理技術與超聲C 掃描技術集為一體，實現了對復合材料檢測靈敏度實時的補償，并且這一改進能夠實現對曲面構件的實時檢測[4]。除此之外，浙江大學還將仿真檢測與實際檢測相結合，實現了對超聲C 掃描一般過程的認識，并且能夠準確的檢測出復合材料內部的缺陷。然而超聲C 檢測對于一些缺陷檢測精度要求更精確的復合材料來說還是顯得有一定的困難，而實際中對于一個工件的完全檢測也并不是一種超聲檢測方法能夠勝任的，通常對于一個工件的檢測常常應用幾種超聲檢測方法，有時也會應用其他的無損檢測手段，比如紅外熱成像檢測方法。

相控陣超聲檢測是超聲檢測中比較先進的一種檢測手段，近年來，以其偏轉、聚焦的優勢而廣泛的應用在常規超聲檢測不能夠完成的復雜構件中，而且針對超聲相控陣檢測還設計了專用的仿真檢測軟件，能夠在優化實驗方案方面節省很大的費用，并且能夠更加的清楚聲波的傳播以及與缺陷的相互作用，使檢測更加的直觀。GE 科技有限公司利用相控陣超聲檢測方法實現了航空件中的T 型復合材料以及飛機蒙皮粘接層的檢測，利用相控超聲探傷儀對它們的內部缺陷成像[5]，并通過B 掃描或者S 掃描增加了缺陷的掃查范圍，提高了檢測效率，和缺陷識別的準確性，并節省了檢測成本。中材科技風電葉片股份有限公司，利用該技術對復合材料樣板的無缺陷區域、有缺陷區域以及修復區域進行成像，通過對比能夠清晰的看出缺陷的分布，證實了超聲相控檢測在復合材料中具有良好的應用[6]。

2.2 性能評價

超聲波能夠對金屬零件的硬度、彈性模量、衰減性等進行評價，利用相同的方法超聲波可以對復合材料的這些性能進行評價，并且能夠對其孔隙率進行測量。對于復合材料來說孔隙率是其重要的一個性能參數，孔隙率過大會導致材料內部疏松，直接導致材料的力學性能下降。因此對孔隙率的檢測顯得十分重要。

對于復合材料來說常用的孔隙率測定方法主要有超聲聲速法、超聲衰減法、微波法等，然而每一種方法并不是直接的給出孔隙率的大小，而是間接的獲得對應的相互關系。在上述的三種方法中應用最多的是超聲衰減法，它主要是利用頻率的變化曲線斜率與超聲孔隙百分率之間的關系建立數學模型進而評價復合材料的孔隙率，除此之外也可以根據超聲波透過復合材料后的衰減量的大小，計算孔隙率與聲束面積之比。對于復合材料孔隙率的測量，北京航空材料研究院利用超聲C 掃描對材料中的孔隙率進行研究[7]，研究表明：在復合材料中，孔隙率的大小與其材料的聲波衰減性有一定的對應關系，表現為聲波的衰減與孔隙率呈現線性關系，即孔隙率增大，衰減性增大；孔隙率降低，衰減性降低。除此之外，孔隙率的大小和材料的力學性能也有一定的關系，通過對孔隙率大小、聲波衰減性的測定，可以將三者相聯系，進而得到一定條件下材料力學性能、超聲衰減性能、材料孔隙率之間的對應關系，從而完成對材料的力學性能的評價。

3 超聲檢測在復合材料中應用的難點

超聲檢測對于結構比較規則的構件來說應用比較方便，當結構比較復雜的情況下，超聲波的應用將受到一定的限制，主要原因是復雜的幾何形狀會使探頭無法接收到反射聲波的能量，從而無法對材料的質量進行評價。

4 發展與展望

隨著航空航天事業的發展，對復合材料的質量要求將越來越高，如何快速的對其進行質量檢測是值得大家思考的一個問題，因此未來超聲檢測將面向快速檢測、自動化檢測的方向發展，同時超聲探傷將會從對材料的質量檢測像對材料的質量評價的方向發展。

［1］邱曉丹.綠色復合材料制備及其在聲學儀器領域的應用[D].東華大學，2014.

［2］沈真.碳纖維復合材料在飛機結構中的應用[J].高科技纖維與應用，2010，35：1-4.

［3］魏勤，張迎元，樂永康，等.超聲C 掃描成像系統在SiC_p/Al 復合材料無損檢測中的應用[J].材料開發與應用，2003，18：38-41.

［4］王艷穎，吳瑞明，周曉軍，等.大型非對稱復合材料構件超聲C 掃描技術研究[J].浙江大學學報：工學版，2004，38：1208-1211.

［5］羅云林，耿智軍.基于超聲相控陣的飛機蒙皮檢測技術研究[J].測控技術，2014，33：131-134.

［6］李懷富，李業書，呂貴平，等.超聲無損檢測技術在風電葉片上的應用[C]//第十八屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集.2010.

［7］何方成，史亦韋.樹脂基復合材料孔隙率超聲表征技術研究[J].航空材料學報，2006，26(3)：355-356.