結構/阻尼一體化復合材料超聲波檢測方法

吳時紅 張 穎 何雙起 譚朝元 吳君豪

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

結構/阻尼一體化復合材料超聲波檢測方法

吳時紅 張 穎 何雙起 譚朝元 吳君豪

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文摘采用超聲脈沖穿透法和超聲脈沖反射法相結合，對結構/阻尼一體化復合材料產品開展超聲無損檢測方法研究。研究結果表明，超聲檢測可有效檢測出結構/阻尼一體化復合材料產品中復合材料中的分層缺陷和復合材料與阻尼材料間的脫粘缺陷。

超聲檢測，脫粘，復合材料，穿透法，反射法

0 引言

結構/阻尼一體化復合材料技術已廣泛應用于航空、航天、船舶、汽車等許多工業領域[1]。在航天產品中，為降低承載儀器的共振響應，避免產生噪聲和疲勞破壞，提高精密儀器的可靠性和精度，國內外大量研究結構/阻尼一體化復合材料技術，開展結構/阻尼一體化復合材料承載部件研制，實現了承載結構的輕質化和高阻尼設計要求[2]。

航天產品使用的結構/阻尼一體化復合材料多為“三明治式”復合結構，其基體一般為C/E、玻璃鋼等復合材料，中間夾層為橡膠阻尼材料(圖1)，阻尼材料在基體預浸料鋪層過程中按照設計要求鋪放在產品中的指定位置，并與基體一同經歷加溫加壓共固化成型，成型制品中由于存在多個界面，加壓過程中容易存在復合材料分層缺陷和復合材料與阻尼材料間的脫粘等影響產品使用性能的缺陷(圖2、圖3)。為滿足航天產品高可靠要求，本文主要針對典型結構/阻尼一體化復合材料，開展超聲檢測方法研究，實現材料及制品中缺陷的有效檢出[3-5]。

1 超聲檢測方法

測定聲學參量是進行超聲檢測研究的基礎，為此，對復合材料和阻尼材料進行聲阻抗的測量。聲速測量原理：

v=L/T

式中，v為超聲波傳播速度；L為被測材料長度；T為超聲脈沖在試件中的傳播時間。

測量聲速用的儀器：CTS-25型復合材料探傷儀；探頭頻率：50 kHz；校準時標：26 μs。測量結果：C/E復合材料聲速為2.41 km/s； 阻尼材料聲速為1.72 km/s。

C/E復合材料密度1.55 g/cm3；Z=ρv=3.7×106kg/m2·s；

阻尼材料密度1.07 g/cm3；Z=ρv=1.8×106kg/m2·s。

通過對材料聲阻抗的實際測量，可知結構/阻尼一體化復合材料中C/E復合材料與阻尼材料間存在較大差異。這使得在粘接良好區與脫粘區均有較大的界面反射波。粘接良好與脫粘缺陷通過界面信號難以分辨。

結構/阻尼一體化復合材料結構的聲學特點：(1)C/E復合材料基材是多層、非均質材料，具有較高的聲衰減；(2)阻尼材料是以橡膠為主要原料的高聲衰減的彈性材料，且聲衰減又具有較大的離散性；(3)C/E復合材料與阻尼材料聲阻抗存在較大的差異。這些聲學特點增加了結構/阻尼一體化復合材料超聲檢測的難度。

結構/阻尼一體化復合材料由于結構、生產工藝等因素的影響，產品內部可能存在缺陷。主要是：(1)復合材料基材本身的缺陷：復合材料基材分層、類夾雜等缺陷；(2)復合材料與阻尼層間脫粘缺陷。為控制產品質量，要求對結構/阻尼一體化復合材料內部的兩類缺陷進行無損檢測。

1.1復合材料基材缺陷的檢測

結構/阻尼一體化復合材料中復合材料基材的檢測采用超聲脈沖反射法，主要檢測復合材料內部分層、類夾雜等缺陷，復合材料內部質量檢測是靠C/E復合材料與阻尼層的界面波的幅值，波形特點來判斷。通過大量的試驗，以及對儀器、探頭和頻率、波形、增益、阻尼、抑制等探傷條件和參數進行優選，確定了最佳探傷系統和參數，根據C/E復合材料與阻尼層間界面波的波形特點來進行C/E基材內部的材質評定。

1.2脫粘缺陷的檢測

超聲脈沖穿透法主要用于檢測結構/阻尼一體化復合材料結構中C/E復合材料與阻尼材料間的脫粘缺陷。超聲波穿透法采用兩個探頭，分別置于被檢結構/阻尼一體化復合材料相對的兩個面，一個作為發射探頭、另一個作為接收探頭，由接收探頭接收穿過被檢復合材料的超聲波。

檢測時，如果結構/阻尼一體化復合材料結構中內部存在脫粘缺陷，則超聲波在穿透復合材料過程中被其內部缺陷反射、散射和吸收，穿透波信號幅度降低或消失(圖4)，通過穿透波信號幅度的變化實現對脫粘缺陷的檢測。

需要制作預埋脫粘缺陷的對比試樣用于儀器靈敏度的調整。測量對比試樣上脫粘缺陷部位及無缺陷部位的分別測量穿透波幅值為80%波高的分貝值(表1)。

表1 脫粘缺陷與無缺陷部位分貝值對比表

從表1可知，脫粘缺陷與無缺陷部位相比，分貝值相差60 dB以上。在對比試樣上調整儀器靈敏度。在對比試樣無缺陷部位調節“增益”和“增益微調”旋鈕，使穿透波幅度達到探傷儀熒光屏滿刻度的80%，然后將增益提高適當的分貝值，此時的波幅大于100%。再將探頭移至對比試樣上10 mm×10 mm的缺陷處，穿透波降低或消失。在檢測實際產品時，以穿透波幅度下降到10%以下確定為脫粘缺陷。

2 結果分析

2.1基材分層缺陷檢測結果

采用超聲反射法可有效檢測出復合材料基材的缺陷，C/E復合材料基材不同深度分層缺陷波形圖見圖5～圖7。可以看出材料分層處出現多次反射波。

對于檢測出的復合材料分層缺陷我們做了金相分析，從圖8、圖9中可看出復合材料的分層缺陷為材料間出現裂紋，或層間存在超聲波無法穿透的巨大氣孔，導致超聲波在該層處全部發生了反射。

2.2脫粘缺陷檢測結果

超聲脈沖穿透法檢測出的脫粘缺陷部位進行解剖，如圖10所示，解剖后發現復合材料與阻尼材料間完全脫開。

對脫粘缺陷進行超聲脈沖反射法檢測，可以從圖11和圖12的兩圖對比中明顯看出在粘接界面處明顯存在超聲反射信號。

3 結論

(1)采用超聲脈沖穿透法可有效檢測結構/阻尼復合材料產品中復合材料與阻尼層間的脫粘缺陷；

(2)采用超聲脈沖反射法可檢測結構/阻尼復合材料產品中復合材料的分層、疏松等缺陷，同時對脫粘區用脈沖反射法能判斷其處于哪一層脫粘。

采用超聲脈沖穿透法和超聲脈沖反射法相結合，可有效檢出結構/阻尼一體化復合材料產品中的缺陷。

[1] 任勇生,劉立厚.纖維增強復合材料結構阻尼研究進展[J]. 力學與實踐, 2004(1)：9-16.

[2] 許硯琦. 結構阻尼復合材料的研究及制備工藝[J]. 航空制造技術, 2011(15):75-77.

[3] 馬保全,周正干.航空航天復合材料結構非接觸無損檢測技術的進展及發展趨勢[J].航空學報,2014(7):1787-1803.

[4] 王寶瑞,丁新靜.纖維增強復合材料的無損探傷技術探討[J].玻璃鋼/復合材料,2014(4):91-94.

[5] 唐桂云,王云飛,吳東輝,等.先進復合材料的無損檢測[J]. 纖維復合材料, 2006(1):33-36.

Ultrasonic Testing Method of Structure/Damping Integrative Composites

WU Shihong ZHANG Ying HE Shuangqi TAN Zhaoyuan WU Junhao

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

The ultrasonic testing technique of structure/damping integrative composites has been studied in this paper. It has been found that delamination defects in the composites and debonding defects between the composites and damping layer could be detected efficiently by pulse echo technique and transmission technique.

Ultrasonic testing, Debond,Composites,Penetrating method, Reflecting method

TB553

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.018

2017-04-11

吳時紅,1973年出生，高級工程師，主要從事超聲無損檢測研究