碳纖維增強樹脂基復合材料渦流檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

杜飛 焦少妮 曾志偉

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

碳纖維增強樹脂基復合材料渦流檢測的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

杜飛 焦少妮 曾志偉

（廈門大學航空系，福建廈門 361005）

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）以其優(yōu)越的性能得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。然而CFRP在制造和使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一些損傷，如分層、脫粘和纖維斷裂等，因此CFRP的無損檢測對于保證材料結(jié)構(gòu)完整性具有極其重要的意義。本文介紹國內(nèi)外CFRP渦流檢測的研究現(xiàn)狀，并就CFRP渦流檢測的發(fā)展方向提出一些看法。

碳纖維增強樹脂基復合材料 損傷 渦流檢測 數(shù)值模擬

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）以其優(yōu)越的性能得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展。然而CFRP在制造和使用過程中，由于多種原因，經(jīng)常會出現(xiàn)一些損傷，如分層、脫粘、孔隙、纖維斷裂、彎曲等。與金屬材料不同，CFRP在斷裂或者損壞之前幾乎沒有什么先兆，其破壞具有突然性，并往往對結(jié)構(gòu)造成致命威脅，直至造成重大安全事故，因而對CFRP的在役無損檢測具有極其重要的意義。由于CFRP是各向異性材料，其無損檢測與傳統(tǒng)金屬材料相比難度更大。

目前應(yīng)用較多的CFRP檢測方法有紅外檢測、X射線檢測以及超聲檢測等。這些檢測技術(shù)都取得了一定的效果。因為CFRP本身具有一定的導電能力，理論上可以用渦流檢測技術(shù)進行檢測。此外，與其他檢測技術(shù)相比，渦流檢測技術(shù)在某些方面具有一定的優(yōu)勢。例如，用渦流探傷法探測表面裂紋可靠性高；檢測時一般不需清除零件表面的油脂、積碳和保護層；多數(shù)情況下可在不分解被測工件的前提下，在外場對工件進行原位探傷［1］。本文介紹國內(nèi)外CFRP渦流檢測的研究現(xiàn)狀，并就CFRP渦流檢測的發(fā)展方向提出一些看法。

1 CFRP簡介

碳纖維是主要由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維是一種新型非金屬材料，是發(fā)展最迅速，應(yīng)用范圍最廣的纖維材料，可滿足多個領(lǐng)域的要求。碳纖維和它的復合材料具有密度低、耐化學腐蝕、耐摩擦、抗輻射、減震、降噪等一系列的優(yōu)異性能，而且作為纖維它還有柔軟性和可編、可紡織性，特別突出的是它擁有高比強度和高比模量兩大特性。CFRP是八十年代后期發(fā)展起來并備受重視的一類結(jié)構(gòu)材料。隨著制備技術(shù)的不斷進步，其發(fā)展十分迅速，被廣泛運用在航空航天、艦船、核工業(yè)、兵器工業(yè)、汽車工業(yè)、民用建筑、電力電子等領(lǐng)域［2］。

CFRP由不同纖維方向的單層材料層壓或編織而成，每層的厚度介于0.05～0.25mm之間。單層材料由碳纖維和不具備導電性的基體材料融合而成。CFRP具有導電性，并且是電各向異性的。一般認為，CFRP在順著碳纖維方向的縱向電導率在5×103～5×104S/ m之間，而在垂直于纖維方向的橫向電導率在10～100S/m之間。同時在層壓或編織結(jié)構(gòu)中，每層碳纖維材料之間也會存在電導率，這個電導率比較小，大約是橫向電導率的一半左右。基于上述考慮，可以用式（1）來表述復合材料的電導率張量［3］。

式中，δL是縱向電導率，δT是橫向電導率，δcp是層與層之間的電導率，θ是單層材料中纖維方向在笛卡爾坐標下的角度。

2 CFRP渦流檢測的研究現(xiàn)狀

CFRP具有一定的導電能力，理論上可以用渦流檢測技術(shù)進行檢測。而且渦流檢測與其他檢測技術(shù)相比具有成本低、設(shè)備簡單、操作方便等優(yōu)點，因此CFRP渦流檢測的研究具有重要意義。雖然CFRP具有一定的導電能力，但其電導率較金屬材料小得多，并且不同方向上的電導率是不一樣的，這就增加了渦流檢測的難度。如何設(shè)計檢測探頭以及設(shè)置良好的檢測條件以提高檢測的靈敏度和信噪比，成為CFRP渦流檢測研究的重點之一。實驗探究的方法是最早也是最常用的CFRP渦流檢測的研究方法。

2003年，C.Carr等人利用基于高溫超導量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計的渦流檢測系統(tǒng)，掃描CFRP樣品表面，得到樣品表面的磁場分布，檢測出了隱藏的損傷。從磁場相位圖可以看出磁場相位取決于樣品的結(jié)構(gòu)完整性，并且相位導數(shù)最小值隨著撞擊能量的增加而變大［4］。2007年，C. Bonavolontà等利用相似的渦流檢測系統(tǒng)，通過分析磁通量變化圖像，確定了CFRP內(nèi)損傷的位置，并且得到了損傷的大小及形狀［5］。

2005年，R. Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對CFRP樣品表面進行掃描，利用全息信號處理方法處理測量信號的相位信息，得到聚焦的較為清晰的圖像，重構(gòu)出碳纖維的分布情況，從而可以很清楚地看出損傷區(qū)域［6］。

2009年，W. Yin等設(shè)計了三種不同的線圈傳感器分別用于測量CFRP的體電導率，描繪纖維的方向特性和對單向CFRP樣品、正交雙向CFRP樣品及受沖擊損傷的CFRP樣品進行檢測并成像［7］。

2013年，K. Koyama等設(shè)計了一種矩形的交叉渦流檢測探頭，清楚地檢測到CFRP樣品的內(nèi)部缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整激勵線圈與纖維方向之間的角度，可以減小噪聲，提高信噪比。但是雙向CFRP的檢測信號中噪聲仍比較大［8］。

2014年，B.Salski等通過測量兩個平行放置在CFRP樣品表面的平面螺旋線圈的互感來檢測材料中的缺陷［9］。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及仿真研究的進步，部分學者將目光投向CFRP渦流檢測的仿真研究。相比于實驗研究，利用計算機對渦流檢測進行仿真研究具有設(shè)備簡單，研究成本低，研究方法靈活等優(yōu)勢。

2009年，H.Menana等提出一個CFRP渦流檢測的三維計算模型。該模型基于T-φ表述（T和φ分別代表電矢量位和磁標量位），利用有限差分法計算CFRP的渦流密度。作者研究了材料內(nèi)部的渦流分布規(guī)律及缺陷對渦流的影響。通過模擬得到了優(yōu)化的探頭參數(shù)和檢測條件，為實驗研究提供了很好的指導作用［10］。2011年，H. Menana等提出基于A-T表述（A代表磁矢量位）的積分微分模型，計算出CFRP渦流檢測中線圈阻抗的變化；還提出用于模擬CFRP薄板結(jié)構(gòu)檢測的簡化準二維模型，提高了薄板結(jié)構(gòu)檢測模擬的計算效率［11］。

2010年，G.Megali等設(shè)計了一個鐵氧體磁芯探頭，用于檢測CFRP中的缺陷，并使用有限元法進行模擬。此外他們還使用自適應(yīng)同態(tài)濾波技術(shù)來提高模擬的精度［12］。

3 CFRP渦流檢測的發(fā)展展望

雖然CFRP的渦流檢測在實驗研究和計算機模擬兩個方面都取得了一定的進展，但仍有許多問題需要進一步的研究。未來可能的研究方向有：

（1）目前CFRP渦流檢測的仿真研究還處在起步階段，國內(nèi)外對這方面的研究都比較少，還有待于今后的深入研究才能進一步發(fā)揮計算機仿真技術(shù)的優(yōu)勢，充分發(fā)揮其指導實驗研究并與實驗研究相互驗證的功用。

（2）實際CFRP中的碳纖維分布不均勻，缺陷形式多種多樣，這給CFRP渦流檢測的實驗研究帶來了很大的困難。雖然目前基于HTS SQUID磁力計的渦流檢測系統(tǒng)能夠較好得完成對復合材料損傷的檢測，但也不能檢測出所有的缺陷類型。因此，今后還需對如何更好的設(shè)計檢測探頭，排除碳纖維分布不均勻帶來的干擾，以及如何檢測更多類型的缺陷做進一步的研究。

（3）雖然SQUID是最靈敏的磁場測量器件，但其工作頻率低，此時CFRP中的渦流密度很小，對檢測不利。而且，SQUID體積大，操作復雜，不利于現(xiàn)場檢測。今后應(yīng)重點研究高頻檢測。頻率高時，用普通線圈就可以得到較大的信號。

（4）實際檢測過程中，為了更好的保證檢測精度，往往不是采用單一的檢測技術(shù)手段。因此在今后的CFRP渦流檢測研究當中，還應(yīng)重視與其他檢測技術(shù)手段的結(jié)合，這在一定程度上可以提升檢測效果，使檢測的準確性更高。

［1］沈真.碳纖維復合材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用. 高科技纖維與應(yīng)用，2010，35（4）：1-4.

［2］任姍姍，皇甫超華，崔慶龍.碳纖維復合材料的研究與應(yīng)用.科技向?qū)В?010（5）：67.

［3］S. B. Pratap and W. F. Weldon. “Eddy Currents in Anisotropic Composites Applied to Pulsed Machinery，” IEEE Trans. Magn.，vol. 32， no. 2， pp. 437-444， 1996.

［4］C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. “SQUID-based Non-destructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Polymer，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 13， no. 2，pp. 196-199， 2003.

［5］C. Bonavolontà， M. Valentino， G. Peluso， and A. Barone. “Non Destructive Evaluation of Advanced Composite Materials for Aerospace Application Using HTS SQUIDs，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 17， no. 2， pp. 772-775， 2007.

［6］R. Grimberg， A. Savin， R. Steigmann， and A. Bruma.“Eddy Current Examination of Carbon Fibers in Carbon-epoxy Composites and Kevlar，” The 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing， Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering， pp. 223-228， Sep. 2005.

［7］W. Yin， P. J. Withers， U. Sharma， and A. J. Peyton. “Noncontact Characterization of Carbon-fiber-reinforced Plastics Using Multi-frequency Eddy Current Sensors，” IEEE Trans. Instrum. Meas.， vol. 58， no. 3， pp. 738-743， 2009.

［8］K. Koyama， H. Hoshikawa， and G. Kojima. “Eddy Current Nondestructive Testing for Carbon Fiber-reinforced Composites，”J. Press. Vess-T.， vol. 135， no. 4， pp. 1-5， 2013.

［9］B. Salski， W. Gwarek， and P. Korpas， “Non-destructive testing of carbon-fiber-reinforced polymer composites with coupled spiral inductors，” IEEE Int. Micro. Symp.， pp. 1-4， 2014.

［10］H. Menana and M. Féliachi. “3-D Eddy Current Computation in Carbon-fiber Reinforced Composites，” IEEE Trans. Magn.，vol. 45， no. 3， pp. 1008-1011， 2009.

［11］H. Menana and M. Féliachi. “An Integro-differential Model for 3-D Eddy Current Computation in Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites，” IEEE Trans. Magn.， vol. 47， no. 4，pp. 756-763， 2011.

［12］G. Megali， D. Pellicanμo， M. Cacciola， S. Calcagno， M. Versaci，and F. C. Morabito. “EC Modelling and Enhancement Signals in CFRP Inspection，” Prog. Electrom. Res. M， vol. 14， pp. 45-60，2010.

此項研究為國家自然科學基金（批準號：51277154）和教育部博士點基金（項目編號：20120121110026）資助項目。