碳纖維復合材料表面裂紋與纖維彎曲無損檢測的發展現狀與展望

劉小華++曾志偉

摘 要：碳纖維復合材料（CFRP）以其優良的特性被廣泛應用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領域。然而CFRP在使用或制造過程中會出現一些諸如表面纖維斷裂、纖維彎曲的損傷，這些損傷對結構往往造成致命的威脅，因此對CFRP進行無損檢測顯得意義重大。本文介紹CFRP表面裂紋與纖維彎曲的研究現狀，并就這方面發展的方向提出一些看法。

關鍵詞：碳纖維復合材料；表面裂紋；纖維彎曲；無損檢測

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名為碳纖維增強樹脂基復合材料，其中碳纖維作為增強相，樹脂基作為基體。與金屬材料相比，CFRP有更好的比強度、比剛度、抗疲勞性、抗腐蝕性和減震性。因為其優良的特性被廣泛應用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領域。然而CFRP在使用或制造的過程中會出現表面裂紋和纖維彎曲等損傷，比如使用時遭遇沖擊或被尖銳物體劃過表面就會造成表面裂紋，制造過程中快速固化引起殘余應力提高便會造成纖維彎曲。這些損傷可以對結構造成致命威脅，引發重大事故，因此對CFRP結構進行無損檢測顯得意義重大。CFRP是各向異性材料，這使得對CFRP材料表面裂紋與纖維彎曲等損傷的無損檢測研究變得更為棘手。

目前對CFRP進行無損檢測的方法主要有超聲檢測、紅外檢測、渦流檢測、太赫茲時域光譜檢測、聲發射檢測以及微波檢測等，每種方法有其擅長檢測的缺陷類型。本文就國內外研究人員針對CFRP表面裂紋與纖維彎曲這兩類損傷的檢測進行的研究展開介紹，并對今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂紋檢測的研究現狀

超聲技術是目前針對CFRP表面裂紋的一種主要無損檢測方法，不斷有學者在這方面做出創新，激光超聲檢測便是一種新興技術。1963年，R.M.White發現激光超聲現象，即用激光束照射到物體時，物體表面10～100μm厚度內會激發出超聲波。對激發出的超聲波信號進行分析就可以得到物體表面的輪廓信息[1]。自1980年開始，美國學者開始了將激光超聲應用于無損檢測的研究，由此產生了激光超聲檢測技術[2]。20世紀90年代開始將激光超聲技術用于復合材料的檢測[3]。后來此項技術被洛克希德·馬丁空間系統公司獲得，在美國軍方聯合攻擊機JSF項目的競爭以及開發F22與F35型戰斗機的過程中，該技術獲得了極大地發展，在檢測CFRP表面裂紋的能力方面也取得了重大進步[4]。

渦流檢測技術也是檢測CFRP表面裂紋的一種重要方法。電渦流遇到缺陷時發生擾動，其在CFRP表面產生的磁場亦發生變化，通過分析CFRP樣品表面的磁場信號可以得到樣品表面的輪廓信息，檢測出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超導量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計的渦流檢測系統對CFRP樣品進行檢測，根據樣品板表面的磁場分布，檢測出了樣品板表面的裂紋[5]。2005年，R.Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對CFRP板表面進行掃描，利用全息信號處理法處理信號的相位信息，得到了聚焦的較為清晰的圖像，重構了碳纖維的分布情況，從而檢測出了表面裂紋[6]。

2015年，中國計量學院的廖曉玲等利用反射式太赫茲時域光譜（THz-TDS）成像技術對CFRP缺陷進行了無損檢測實驗，獲得了含不同缺陷碳纖維樣品的成像結果及數據。發射探頭兩側有多個接收探頭，通過處理接收探頭獲得的反射信號便可重構缺陷信息。結果表明，反射式THz-TDS成像技術在0.1～3.5THz波段對CFRP中熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率較高[7]。

2016年，國防科技大學何赟澤等通過電磁感應加熱與紅外熱成像測溫相結合的技術成功地對沖擊后的CFRP樣品進行了表征和損傷檢查，識別了破碎的碳纖維，檢測出了CFRP表面裂紋缺陷[8]。

2 CFRP纖維彎曲檢測的研究現狀

國內外對CFRP纖維彎曲檢測的研究起步較晚，2015年，楊玉娥等研究微波信號在復合材料中的傳播特性，使用N5225A網絡分析儀對碳纖維的方向和纖維彎曲進行了微波無損檢測研究，用微波信號反射系數的相位和幅值來表征纖維方向和纖維彎曲缺陷。結果表明，在頻率為38GHz時可以用反射系數幅值表征纖維彎曲缺陷，反射系數幅值最大變化為0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一種探測器來檢測單向CFRP平面內和平面外纖維彎曲，基于渦流的非破壞性技術來表征纖維取向。這種探測器由三個矩形線圈組成，其中兩個相同的線圈共面放置作為激勵，正中間一個接收線圈與兩激勵線圈所在平面垂直放置。通過變換探測器放置的方式，可以測量面內纖維波紋度（即纖維彎曲程度）、面外纖維波紋度以及纖維方向角。實驗研究表明，他們所提出的探測器可以檢測出薄的單向CFRP中長度為15.9mm，最大偏移量為1.1mm的面內纖維波紋度，也可以檢測出厚的單向CFRP中最大偏移量為3.5mm的面外纖維波度。他們發現掃描具有平面外波紋的材料獲得的復平面中的輸出信號變成環形圖，環形圖可用于識別平面外纖維波度的存在和位置[10]。

2016年，他們又提出了一種可視化多向CFRP纖維波紋度檢測方法。由于由驅動線圈感應的渦流沿著碳纖維流動，所以如果渦流路徑可視化，纖維波動就可以可視化。他們提出了一種新的復平面分析方法來將渦流路徑可視化。該方法的有效性通過有限元分析得到了驗證。對多向CFRP試樣進行實驗，在樣品中人工誘導具有6.9°至24.9°的失準角的面內波紋。從磁場數據可視化渦流路徑，得到了波紋的形狀。將波狀渦流路徑的尺寸與通過X射線計算機層析成像測量的波紋尺寸和光學圖像進行比較，結果表明，渦流法可以準確地估計表面波度尺寸，但低估了內部波動尺寸[11]。

3 展望

國內外關于CFRP表面裂紋與纖維彎曲的無損檢測研究取得了可喜的進步。未來可以在如下方面展開進一步的研究。

（1）目前很少有專門針對CFRP表層裂紋的研究報告，裂紋造成的纖維斷裂對CFRP結構的危害是不容小覷的，希望有擅長檢測裂紋的無損檢測專家對此多加關注，給CFRP表面裂紋檢測研究提供更多可供參考的文獻。

（2）渦流檢測中用于檢測CFRP表層裂紋的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作頻率低，此時CFRP中渦流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID體積大，不利于現場檢測操作。因此有必要研究使用方便，可在較高頻率下工作的探頭。

（3）關于CFRP纖維彎曲的無損檢測研究還非常少，還有很多工作可以做，鼓勵無損檢測各個領域的專家對此展開研究。

致謝：感謝福建省傳感技術重點實驗室和廈門市傳感器技術重點實驗室經費的支持。

參考文獻

[1]R. M. White. Generation of elastic waves by transient surface heating[J]. Journal of Applied Physics， 1963， 34： 3559-3567.

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[4]張昭，肖迎春，李閔行.激光超聲技術在航空碳纖維復合材料無損檢測中的應用[J].航空工程進程，2014，5：269-273.

[5]C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. SQUID-based non-destructive evaluation of carbon fiber reinforced polymer[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2003，13：196-199.

[6]R.Grimberg， A. Savin， R Steigmann， and A. Bruma. Eddy current examination of carbon fibers in carbon-epoxy composites and kevlar[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2005，58：738-743.

[7]廖曉玲，王強，谷小紅，陳錫愛.基于THz-TDS的碳纖維復合材料無損檢測[J].激光與紅外，2015，45：1255-1260.

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[9]楊玉娥，閆天婷，任保勝.復合材料中碳纖維方向和彎曲缺陷的微波檢測[J].航空材料學報，2015，35：91-96.

[10]K. Mizukami， Y. Mizutani， A. Todoroki， Y. Suzuki. Detection of in-plane and out-of-plane fiber waviness in unidirectional carbon fiber reinforced composites using eddy current testing[J]. Composites Part B，2016，86：84-94.

[11]K.Mizukami，Y. Mizutani， K. Kimura， A. Sato et al. Visualization and size estimation of fiber waviness in multidirectional CFRP laminates using eddy current imaging[J]. Composites Part A，2016，90：261-270.