碳纖維復(fù)合材料的超聲特征掃描成像檢測(cè)研究

廖嘉 湯路

摘 要：研究特征掃描（F掃描）超聲成像檢測(cè)技術(shù)；研制了復(fù)合材料的F掃描超聲自動(dòng)成像檢測(cè)系統(tǒng)；利用F掃描成像系統(tǒng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料及結(jié)合層及層與層膠接和修補(bǔ)層質(zhì)量的檢測(cè)進(jìn)行了研究；采用聚焦探頭可檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料修補(bǔ)中的分層脫粘等缺陷，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行多種形式（C掃描、相位特征和CT）成像。

關(guān)鍵詞：F掃描；層狀板；聚焦換能器；聲成像

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：F-scan ultrasonic imaging testing technology was studied.F-scan ultrasonic imaging auto-testing system for composite material was developed.Detection of carbon fiber composite material and the glued joint layer was studied using F-scan ultrasonic imaging system.Layered defects of the carbon fiber composite material and the glued joint layer could be identified with focused transducers，and testing results could be displayed by various imaging modes （C、phase feature and CT）.

Key words：F-scan；multi-layer plate；focused transducer；ultrasonic imaging

緒論

近二十年來(lái)，先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在新材料結(jié)構(gòu)中異軍突起，具有剛度大、強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，[1]在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，在航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域中，勢(shì)頭更為迅猛。

碳纖維復(fù)合材料使得工業(yè)界對(duì)此復(fù)合材料的超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)提出了更高的要求，利用超聲特征掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，可以充分利用了超聲回波所提供的有關(guān)缺陷和材料的有用特征信息進(jìn)行成像，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)提取和重構(gòu)并最終成像的新方法。因此，既能減少誤判、漏檢問(wèn)題，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合層進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并通過(guò)把握各個(gè)特征，給出定量化結(jié)果，以直觀圖像形式記錄，來(lái)解決工業(yè)部門(mén)生產(chǎn)過(guò)程中檢測(cè)環(huán)節(jié)遇到的實(shí)際工程問(wèn)題。

超聲特征掃描成像檢測(cè)方法及設(shè)備

特征掃描成像技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是由傳統(tǒng)的C掃描成像發(fā)展而來(lái)。超聲特征掃描成像檢測(cè)技術(shù)采取特征掃描的方法，利用計(jì)算機(jī)全波列采集檢測(cè)信號(hào)，提取和存儲(chǔ)許多特征，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，按多種特征進(jìn)行成像顯示，這里所說(shuō)的特征是指超聲波形的特征，包括超聲波形的上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖周期和頻譜特性等。[2]

除了檢測(cè)局部缺陷外，還能夠?qū)z測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、數(shù)字濾波；通過(guò)各種特征量的提取和重構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別，從而提高了定量的精度。超聲特征掃描包括兩方面的特征，一是超聲波波型的特征，主要指超聲波形上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖周期和頻譜特性等；二是缺陷的特征，包括缺陷的類(lèi)型、形狀、大小等。[2]超聲特征掃描的特點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果定量化，全部記錄和存儲(chǔ)檢測(cè)信息，檢測(cè)結(jié)果具有可識(shí)別性。

F掃描技術(shù)的關(guān)鍵是待測(cè)工件缺陷特征的研究、提取和確定。需要專(zhuān)用換能器提取復(fù)合材料檢測(cè)時(shí)的波形信息，進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的全波列采集，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里，通過(guò)計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的處理，并以圖像方式顯示各種特征參量。[2]

超聲特征掃描成像系統(tǒng)總體框圖[2]見(jiàn)圖2-1。

3 碳纖維修補(bǔ)復(fù)合板的F掃描檢測(cè)

試樣制作：層狀碳纖維復(fù)合板的厚度有厚薄不等，其人工缺陷均為聚四氟乙烯膜，其膜片分別置于膠層的上層或下層，目的是用超聲特征掃描成像系統(tǒng)檢測(cè)出其不同深度的膜與膠層的粘帖質(zhì)量。

圖3-1是熱壓罐預(yù)浸料復(fù)合板的深度像圖（上圖）和某一點(diǎn)的時(shí)域波形圖（下圖），在深度像圖中閘門(mén)范圍內(nèi)不同深度用不同顏色表示，其中，有多種顏色處表示聚四氟乙烯膜的粘帖情況，不同的顏色代表不同的粘帖深度，下部的波形圖表示缺陷處某點(diǎn)的波形，圖中的框圖是成像閘門(mén)的寬度和幅值，在掃描成像前，需要調(diào)節(jié)閘門(mén)到合適的高度以便于達(dá)到更好的成像效果。

但當(dāng)掃描完畢后，需要重新調(diào)整閘門(mén)的高度，然后進(jìn)行重新處理以便得到理想的成像效果。圖3-2是熱補(bǔ)儀預(yù)浸料復(fù)合板的深度像圖（上圖）和某一點(diǎn)的時(shí)域波形圖（下圖），其分析同圖3-1。

4 碳纖維/鋼復(fù)合板修補(bǔ)層的F掃描檢測(cè)

對(duì)于分層缺陷，判定準(zhǔn)則包括幅度判斷、位置判斷和底波判斷。幅度成像時(shí)，先在時(shí)域內(nèi)（深度）選取一個(gè)范圍，將選取范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大的波（缺陷波或底波）幅值按滿(mǎn)幅的百分比賦予不同的顏色，做出幅值特征的彩色圖。此檢測(cè)的復(fù)合材料上下板均為碳纖維復(fù)合材料，中間的墊板為鋁，厚度不等，如圖4-1所示，圖中直觀顯示出了碳纖維復(fù)合層狀板A1中缺陷（墊板鋁）的幅值分布及某點(diǎn)處的時(shí)域波形圖，從成像圖中可以清楚的看到三條不同寬度的墊片粘帖情況，其中幅值在80%以上表示由于缺陷的存在使得幅值下降嚴(yán)重，即可以推斷出墊片與碳纖維復(fù)合板上下層的粘合情況。

圖4-2為碳纖維復(fù)合板A2的幅度成像圖及某點(diǎn)處的時(shí)域波形圖，此碳纖維復(fù)合板其缺陷為聚四氟乙烯膜，且膜片分別置于膠層的上、下層。從圖中可以清楚的看出缺陷的位置、大小和形狀。

對(duì)于分層缺陷而言，由于其面積較大且垂直于超聲波的傳播方向，因而底波下降嚴(yán)重，因種種原因無(wú)法找到缺陷波時(shí)，可通過(guò)底波的幅值判斷缺陷的存在。圖4-3是碳纖維復(fù)合板A2的底波幅值特征圖，方法是選取的成像范圍僅包含底波，并給定一個(gè)閾值，超過(guò)閾值的點(diǎn)顯示在圖中。

5 層析成像

超聲特征掃描成像系統(tǒng)還可進(jìn)行層析成像。層析成像的方法：先選擇層析的深度及厚度，然后調(diào)整閘門(mén)高度。圖5是碳纖維復(fù)合板A2的層析圖，選擇的層析范圍為3.4-5.9mm。在此范圍內(nèi)，存在圖中所示的十二個(gè)缺陷，其缺陷深度可以從色標(biāo)中讀出。

6 結(jié)論

利用超聲特征掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)碳纖維復(fù)合板中的結(jié)合層質(zhì)量進(jìn)行了掃描成像，系統(tǒng)可準(zhǔn)確地復(fù)合板內(nèi)的分層缺陷，并可進(jìn)行多種方式成像及層析成像，即此超聲特征掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)可以用于企業(yè)中復(fù)合材料的日常檢測(cè)工作中。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉松平，郭恩明.復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].航空制造技術(shù)，2001（3）：30-32.

[2]陸銘慧.復(fù)合材料層狀薄板超聲特征掃描成像檢測(cè).無(wú)損檢測(cè)，2005，27（9）：449-453.

[3]陳以方，駱巍，陳玉寶，洪玉萍.復(fù)合材料的特征掃描聲成像檢測(cè).無(wú)損檢測(cè)，2001，23（10）：427-431.

[4]劉新.雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層超聲特征成像系統(tǒng).無(wú)損檢測(cè)，2007，29（6）：309-311.

[5]Teagle PR.The quality control and non-destructive evaluation of composite aerospace components.Composites，1983，14（4）：115.

[6]Gilmore R.S.Acoustic Microscopy from 10 to 100MHz for Industrial Application.Phil Trans R Soc Lond，1986，A320（4）：215-235.

作者簡(jiǎn)介：廖嘉（1984-），女，碩士，中級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作及研究。