CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)鎖相紅外檢測(cè)方法

馮君偉 盛 濤 汪麗麗 錢(qián)云翔 鄭金華

（1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

（2 上海材料研究所，上海 200437）

文 摘 依據(jù)CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、成型工藝、使用環(huán)境，以有效檢測(cè)其內(nèi)部脫粘、分層、纖維斷裂缺陷為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并制作了含有典型缺陷試塊，通過(guò)試驗(yàn)確定了鎖相紅外熱成像檢測(cè)的鎖相周期、鎖相頻率等檢測(cè)參數(shù)，建立了鎖相紅外熱成像檢測(cè)方法。試驗(yàn)表明：該方法能夠有效的檢測(cè)并分別出CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷、分層缺陷、纖維斷裂。

0 引言

復(fù)合材料被廣泛運(yùn)用，其制件內(nèi)部易存在影響其使用性能與可靠性的缺陷，對(duì)這些缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)具有非常重要的意義。

CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，表面的碳纖維網(wǎng)格面板為空心結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)的超聲檢測(cè)，無(wú)法避免檢測(cè)用的耦合劑流入產(chǎn)品內(nèi)部，且超聲探頭無(wú)法穩(wěn)定接觸產(chǎn)品表面，故常用的檢測(cè)方法不適合。

本文采用鎖相紅外熱成像技術(shù)對(duì)CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)品檢測(cè)，制作了相應(yīng)結(jié)構(gòu)和缺陷類(lèi)型的試塊，確定了檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了缺陷的檢測(cè)。

1 鎖相紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)

1.1 成像檢測(cè)方法

如圖1所示，使用LED陣列光源對(duì)CFRP網(wǎng)格面板進(jìn)行周期性調(diào)制熱激勵(lì)。

圖1 鎖相紅外熱成像技術(shù)示意圖Fig.1 Phase-locked infrared thermal imaging technology

利用高能量脈沖光加熱產(chǎn)品表面，熱波傳播至產(chǎn)品內(nèi)部，在無(wú)缺陷區(qū)域，熱波均勻傳播，最終表面溫度均勻；在有缺陷區(qū)域，熱傳導(dǎo)被缺陷阻斷，最終表面呈現(xiàn)溫差［1］。對(duì)紅外熱像儀記錄的序列熱圖像加以處理得到振幅和相位信息圖像，其中，振幅表征了反射和入射熱波的矢量和，相位則表征了反射和入射熱波之間的相位差。鎖相紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)（LT），受環(huán)境影響小，空間分辨率高，成像效果清晰，靈敏度較高［2］。

1.2 成像檢測(cè)系統(tǒng)

鎖相紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，主要由紅外熱像儀、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、鎖相控制系統(tǒng)、LED陣列光源、控制與圖像處理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)軟件功能包括圖像采集、圖像處理、運(yùn)動(dòng)控制和參數(shù)設(shè)置［3］。數(shù)據(jù)采用1 024點(diǎn)／2 048點(diǎn)FFT進(jìn)行處理，得到振幅圖像和相位圖像。

圖2 鎖相紅外成像系統(tǒng)圖Fig.2 Phase-locked infrared thermal imaging system

2 缺陷識(shí)別及試樣制備

2.1 結(jié)構(gòu)中的缺陷類(lèi)型

本文所檢測(cè)的產(chǎn)品CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包含3個(gè)部分：聚酰亞胺薄膜、碳纖維網(wǎng)格面板、鋁蜂窩芯。具體膠接方式為：首先在網(wǎng)格面板膠接面使用毛刷涂刷膠液，然后鋁蜂窩芯正面和背面粘貼網(wǎng)格面板，接著上下表面鋪不透氣脫模布和均壓板，抽真空并進(jìn)固化爐幾小時(shí)；緊接著脫模，再在基板膠接面涂刷膠液，鋪貼聚酰亞胺薄膜并鋪透氣脫模布和均壓板，最后抽真空進(jìn)固化爐。此種結(jié)構(gòu)的材料不僅具備碳纖維蒙皮蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的特性，還具有其他更多的優(yōu)勢(shì)，如隔熱性、絕緣性以及整體質(zhì)量更輕。此種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是衛(wèi)星太陽(yáng)能電池的部件之一。

圖3 結(jié)構(gòu)及缺陷位置示意圖Fig.3 Structure and defect location diagram

碳纖維網(wǎng)格面板由碳纖維正交纏繞而成，寬度為2 mm，厚度為0.2～0.3 mm［4］。正交纏繞的粘接區(qū)域小，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)碳纖維蒙皮質(zhì)地更輕。碳纖維網(wǎng)格面板的膠接質(zhì)量決定了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)存在3類(lèi)缺陷，碳纖維網(wǎng)格面板斷裂缺陷、碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部的分層缺陷、脫粘缺陷。根據(jù)脫粘缺陷出現(xiàn)的位置不同可分為：（1）聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間脫粘，（2）碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間脫粘［5］。

2.2 試塊制備

根據(jù)產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用中可能會(huì)出現(xiàn)的三種缺陷類(lèi)型，設(shè)計(jì)并制作了4塊試塊（圖4），試塊1為制作的過(guò)程中加入不同大小的聚四氟乙烯薄膜來(lái)模擬不同位置的缺陷。其余3塊試塊是在已經(jīng)成型的產(chǎn)品中切割出來(lái)的一部分，試塊2局部不涂刷膠液，模擬產(chǎn)品中的缺陷；試塊3、試塊4和試塊5根據(jù)缺陷的不同使用刀片在不同位置進(jìn)行切割，讓產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷，真實(shí)模擬產(chǎn)品中的缺陷。

圖4 試塊1～試塊5Fig.4 Testing blocks

試塊1中的人工缺陷薄膜為聚四氟乙烯薄膜。在碳纖維網(wǎng)格內(nèi)部及兩側(cè)加入直徑分別為40、30、20、10 mm的缺陷各5個(gè)。自左向右，第一列為碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部加2層0.03 mm厚的薄膜；第二列為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間加2層0.03 mm厚的薄膜；第三列為鋁蜂窩與碳纖維網(wǎng)格面板的粘接面，加薄膜處不涂刷膠液，同時(shí)加2層0.03 mm厚的薄膜；第四列為碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間加2層0.03 mm厚的薄膜；第五列為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板的粘接面，加薄膜處不涂刷膠液，加2層0.03 mm厚的薄膜［6］。

試塊2為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間的脫粘缺陷試塊，試塊3為碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部的分層缺陷試塊，試塊4為碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間的脫粘缺陷試塊，試塊5為碳纖維斷裂缺陷試塊。

3 參數(shù)選擇與結(jié)果分析

在檢測(cè)的過(guò)程中，通常先設(shè)置較高的鎖相頻率，再逐漸降低頻率，較低的頻率能夠增加材料的熱擴(kuò)散長(zhǎng)度和檢測(cè)更深的區(qū)域，增強(qiáng)檢測(cè)效果［7］。

3.1 鎖相頻率參數(shù)選擇

對(duì)試塊1采用鎖相周期為7個(gè)，鎖相頻率為0.5、0.3、0.1 Hz分別進(jìn)行檢測(cè)，得到結(jié)果如表1和圖5所示。分析差異后選擇鎖相頻率0.3 Hz。

表1 不同鎖相頻率的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Data statistics of detection results of different phase-locked frequencies

圖5 不同鎖相頻率檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Different phase-locked frequency detection results

3.2 鎖相周期參數(shù)選擇

對(duì)試塊1使用鎖相頻率為0.3 Hz，采用4、7、10三種不同的鎖相周期分別進(jìn)行檢測(cè)，得到結(jié)果如圖6所示。得到的振幅圖（a）和相位圖（b）的檢測(cè)結(jié)果（表2）基本一致，說(shuō)明鎖相周期對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果影響較小。

圖6 不同鎖相周期的檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Detection results of different phase lock cycles

表2 不同鎖相周期的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Results of different phase lock cycles

一方面保證探傷的精度和可靠性，另外一方面考慮檢測(cè)的效率，選擇鎖相周期為10時(shí)間花費(fèi)大，效率低。小于3個(gè)鎖相周期，系統(tǒng)算法不能工作，因此系統(tǒng)算法要求鎖相周期不能小于3。當(dāng)鎖相周期越小時(shí)，數(shù)據(jù)樣本越小，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，F(xiàn)FT計(jì)算精度越低。鎖相周期為4和7相比，在檢測(cè)效率滿(mǎn)足的情況下，盡量多的鎖相周期能夠相應(yīng)提升圖像的信噪比，達(dá)到相對(duì)較好的檢測(cè)效果。因此選擇鎖相周期為7個(gè)。

3.3 試塊檢測(cè)結(jié)果

采用鎖相紅外熱成像檢測(cè)方法，通過(guò)確定的檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)試塊2～試塊5進(jìn)行成像檢測(cè)，結(jié)果由圖7可見(jiàn)，試塊2可以檢測(cè)出聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間的脫粘缺陷，振幅圖圓圈標(biāo)記的白色區(qū)域?yàn)樵噳K中的脫粘缺陷。試塊3可以檢測(cè)出碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部的分層缺陷。相位圖圓圈標(biāo)記的暗黑色的區(qū)域?yàn)榉謱尤毕荨Ｔ噳K4可以檢測(cè)出碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間的脫粘缺陷。振幅圖圓圈標(biāo)記的暗黑色的區(qū)域?yàn)槊撜橙毕荨Ｔ噳K5檢測(cè)出碳纖維斷裂缺陷。振幅圖圓圈標(biāo)記的區(qū)域?yàn)槿毕莸奈恢谩?/p>

圖7 不同試塊檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Different test block results

4 結(jié)論

通過(guò)鎖相紅外熱成像檢測(cè)方法在CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的檢測(cè)應(yīng)用，表明該方法在鎖相頻率為0.3 Hz和鎖相周期為7的條件下，能夠有效檢測(cè)出CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷、分層缺陷和碳纖維斷裂。