CFRP復合材料層板沖擊損傷的空氣耦合超聲無損檢測

高雙勝，陸 春，薛繼佳，杜 量，剛 鐵

(1．哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001)(2．沈陽航空航天大學，沈陽 110136)(3．遼寧通用航空研究院，沈陽 110136)

CFRP復合材料層板沖擊損傷的空氣耦合超聲無損檢測

高雙勝1,2,3，陸 春2，薛繼佳3，杜 量3，剛 鐵1

(1．哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001)(2．沈陽航空航天大學，沈陽 110136)(3．遼寧通用航空研究院，沈陽 110136)

為了研究沖擊能量對2 mm厚CFRP層壓板沖擊損傷的影響規律，分別采用2、5、8J 3種能量進行沖擊試驗，通過目視、空氣耦合超聲C掃描、金相顯微鏡等對CFRP層壓板試樣的沖擊損傷進行觀察檢測。試驗結果表明：沖擊能量為2J時表面無目視可見的損傷，當能量增加至5J、8J時沖擊面可見凹坑，背面可見沿0°方向的開裂。沖擊能量在2～8J范圍內，隨著沖擊能量的增加，層壓板的損傷面積增大。低能量沖擊會在層壓板內部造成纖維斷裂和分層損傷，在能量較低時損傷的投影形狀近似呈圓形，在能量較高時近似呈菱形。

復合材料層壓板；碳纖維復合材料；沖擊損傷；空氣耦合超聲；無損檢測

1 引 言

碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer CFRP)層壓板具有質量輕、比強度高、結構整體應力分布均勻等優點，在航空航天工業中發揮著越來越重要的作用[1]。層壓板的層間力學性能遠低于層平面，在裝配、維修過程中工具的跌落沖擊，或服役過程中砂石、冰雹的撞擊等，都可能導致層壓板內部產生分層損傷[2]。分層損傷是復合材料層壓板最嚴重的損傷形式，在斷裂或損壞之前幾乎沒有什么先兆，具有突然性，對結構造成致命威脅，因此可靠地檢測出復合材料結構的損傷，保證飛行器的安全，具有十分重要的意義[3]。通常沖擊試驗參考美國材料與試驗協會(ASTM)標準或國內航空標準，采用半球形沖頭，而實際沖擊物的形狀多種多樣，本試驗在ASTM標準基礎上將沖頭前端銑平，模擬前端帶有平面的物體沖擊狀況。

沖擊損傷的檢測方法主要有超聲波、敲擊、紅外等方法[4]，從成像質量和可靠性來看，超聲檢測相對較優，特別是近年來研發出來的空氣耦合(簡稱空耦合)超聲檢測技術，具有非接觸、無污染、效率高等優勢，該技術已成為無損檢測的研究熱點，但國內的研究工作開展相對較少[5]。本文利用自行搭建的空耦合超聲檢測系統對復合材料層壓板的沖擊損傷進行無損檢測，并對檢測結果進行破壞驗證，結果表明，檢測可靠性較高。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

T300/BMP316纖維/環氧樹脂復合材料是一種應用前景較好的航空、航天結構復合材料，該材料抗拉強度高，但抗沖擊性差，因此選擇這種典型的航空材料進行沖擊試驗。材料的鋪層參數為，[45/-45/90/0/-45/0/45/0/90/0]S。

2.2 沖擊試驗

由于自由落體沖擊可以較好地再現諸如維修工具墜落、設備撞擊等低速沖擊，故本文采用自由落體沖擊試驗機對復合材料層壓板進行沖擊損傷預制。試驗參照ASTMD 7136《纖維增強聚合物基復合材料落錘沖擊損傷阻抗測量標準試驗方法》進行，層壓板試樣尺寸為255 mm×55 mm×2.0 mm。沖擊試驗設備型號為Instron CEAST9300落錘式沖擊試驗機，沖頭為端部銑平(圓平面直徑6.25 mm)的鋼制半球形(直徑為12.7 mm)沖頭，沖頭質量為2.0 kg。通過夾具將層壓板試樣進行四邊簡支并固定，沖擊點位于層壓板中心，在室溫環境下對CFRP層壓板試樣分別采用2、5、8J 3種能量進行沖擊試驗。

2.3 檢測試驗

C掃描成像是超聲無損檢測中發展較早,并且廣泛應用的成像技術。常采用噴水穿透法進行檢測，以柵格掃描方式對垂直于聲束方向的被測試樣進行逐點掃描，記錄每一點的超聲波信號，并且對其渡越時間信號進行采樣和模數轉換，運用現代信號和圖像處理技術在計算機屏幕上直觀地顯示含有缺陷形狀、位置及大小等信息的灰度或偽彩色圖像，從而達到評價結構質量的目的[6]。通常水流的穩定性對檢測結果影響較大，若采用空氣作為耦合介質則可極大地提高成像質量，但空氣對超聲波衰減比水嚴重，因此需要從設備和探頭兩方面入手提高信號強度，這是空氣超聲檢測儀器的難點，也是制約其發展的瓶頸。本文利用自行搭建的空耦合超聲C掃描檢測系統進行檢測，采用一發一收2個探頭置于層壓板兩側，垂直于層壓板入射超聲波方式檢測。探頭頻率為200 kHz，晶片直徑25 mm。空耦合超聲波在板的邊緣會發生泄漏，即超聲繞過板邊緣，這可能造成誤判，因此在板的邊緣需進行遮擋。

3 結果和討論

3.1 沖擊損傷分析

對受到不同能量沖擊作用的CFRP層壓板的損傷狀況進行目視觀察，當沖擊能量為2J時，試樣沖擊部位兩側均無明顯的沖擊痕跡。當沖擊能量為5J時，CFRP層壓板沖擊試樣正面能夠觀測到較淺的凹坑，試樣沖擊部位背面沿0°方向開裂，輕微向外凸起。當沖擊能量為8J時，試樣兩側損傷程度隨之增加，試樣正面沖擊凹坑深度和面積增加，試樣背面沖擊部位基體裂紋長度也增加，開裂方向仍為0°方向。

3.2 沖擊損傷的超聲C掃描檢測結果分析

如圖1所示當超聲波穿過試樣內無損傷部位時，接收探頭收到的信號較強，而穿過沖擊損傷部位時，超聲波信號大部分甚至全部被反射，另一側的接收探頭只能接收到部分信號，當損傷面積較大時接收探頭將接收不到信號，根據接收探頭得到的超聲信號能量即可判斷損傷狀況。

圖1 超聲信號發射、接收示意圖

圖2為不同沖擊能量下試樣的空耦合超聲C掃描檢測圖像，圖中顏色標尺表示探頭接收到的超聲波能量即信號的幅值，滿屏為100%。顏色越深，超聲信號越強，說明試樣該部位的質量是完好的，相反顏色越淺，意味著超聲信號越弱，對應部位存在沖擊損傷。

對比圖2中不同沖擊能量試樣檢測結果發現，隨著沖擊能量的增加，沖擊損傷面積變大，如圖3所示，在試驗所加能量范圍內沖擊能量與損傷面積近似呈線性增加趨勢。另外隨著沖擊能量的增加，損傷的形狀也隨之發生變化，當能量較低時(2J、5J)，損傷近似呈圓形，而當能量較大時(8J)損傷近似呈菱形。

圖2 沖擊損傷的超聲C掃描檢測圖像(a)2J(b)5J(c)8J

圖3 損傷面積與沖擊能量關系

3.3 無損檢測結果的驗證

為了驗證檢測結果的可靠性，對沖擊能量為5J的試樣通過沖擊點沿試樣寬度方向進行剖切，制作金相試樣，在顯微鏡下觀察斷面的損傷情況。如圖4所示試樣上表面開裂，基體產生了分層并開裂。

圖4 沖擊損傷部位斷面形貌

4 結 語

(1)對于2mm厚CFRP復合材料層壓板，沖擊能量為2J時表面無目視可見的損傷，當能量增加至5J、8J時沖擊面可見凹坑，背面可見沿0°方向的開裂。

(2)沖擊能量在2～8J范圍內，隨著沖擊能量的增加，層壓板的損傷面積增大。

(3)低能量沖擊會在層壓板內部造成纖維斷裂和分層損傷，在能量較低時損傷的投影形狀近似呈圓形，在能量較高時近似呈菱形。

[1] 屈天驕, 鄭錫濤, 范獻銀, 等. 復合材料層合板低速沖擊損傷影響因素分析[J]. 航空材料學報, 2011, 31(6): 81-86.

[2] 鄧立偉, 陳新文, 王海鵬, 等. 復合材料層合板低速沖擊后的力學性能試驗研究[J]. 纖維復合材料, 2013，30(3):17-20.

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[4] 劉菲菲, 劉松平, 郭恩明. 復合材料層壓結構沖擊損傷超聲成像評估[J]. 無損檢測, 2014, 36(11):1-5.

[5] 陶寧, 曾智, 馮立春, 等. 非接觸超聲紅外熱像技術在復合材料檢測中的應用[C]//第十屆中日復合材料學術會議論文集. 成都, 2012: 33-39.

[6] 高雙勝, 剛鐵, 桂光正, 等. 銅鋼堆焊接頭的超聲信號特征及質量評價[J]. 焊接學報, 2007, 28 (5): 101-104.

Nondestructive Testing of Impact Damage in CFRP Laminates by Air-Coupled Ultrasound

GAO Shuangsheng1,2,3, LU Chun2, XUE Jijia3, DU Liang3, GANG Tie2

(1.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)(2. Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136)(3．Liaoning General Aviation Academy，Shenyang 110136)

In order to study the effect of impact energy to the impact damage of 2mm thick CFRP laminates, impact tests were taken with energy levels of 2、5 and 8J respectively. The impact damage was evaluated by air-coupled ultrasound non-destructive testing, metallurgical microscope and visual inspections. The results show that there are no visible surface damages when impact energy is 2J, there are dents on impact surface and cracks along the direction of 0°on the back of the impact surface when impact energy gain to 5J and 8J.The damage area of laminates is increased with the increasing impact energy with in 2～8J. Low energy impact will cause fiber breakage and delimitation damage inside the laminates. The projection of the damage approximates to a circular when the energy is low, and approximates to a diamond when the energy is high.

composite laminates; CFRP; impact damage; air coupled ultrasound; nondestructive testing

王榮超(1990-)，女，河北人，碩士。研究方向:聚合物基復合材料。E-mail:1033842970@qq.com.

陳平(1964-)，男，長春人，教授。研究方向:先進聚合物基復合材料。E-mail:chenping_898@126.com.

先進焊接與連接國家重點實驗室開放課題研究基金資助(AWJ-M13-05)

2015-08-17)