小截面方管結構CFRP復合材料的超聲檢測方法

高曉進，周金帥，張鐵夫

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小截面方管結構CFRP復合材料的超聲檢測方法

高曉進，周金帥，張鐵夫

(航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074)

新型飛行器已采用小截面碳纖維增強樹脂基(Carbon Fiber Reinforce Polymer, CFRP)復合材料方管結構。針對該類復合材料方管的材料組成和結構特點，分析和對比了常用的超聲穿透法、超聲反射法和整體超聲穿透法對復合材料方管內部質量檢測的適用性，提出了超聲對面內壁反射法。采用超聲對面內壁反射法對試塊中的人工缺陷和實際產品進行檢測。結果表明，采用該檢測方法能夠全部檢出試樣中的10 mm×10 mm的人工分層缺陷，且可有效地檢測實際產品的分層和孔洞缺陷。

碳纖維增強樹脂基復合材料；小截面；方管；超聲檢測

0 引 言

碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon Fiber Reinforce Polymer, CFRP)是由碳纖維、樹脂基體和界面組成，具有重量輕、強度高、耐化學腐蝕等特點，作為一種先進的復合材料在航空、航天等領域得到了廣泛的應用[1-2]。隨著對減重需求的進一步增加[3-7]，無人機、導彈等飛行器的機翼、尾翼等結構已采用小截面CFRP復合材料方管結構作為承力骨架。該結構一般由纏繞工藝或硅橡膠熱膨脹成型工藝[8]制備，容易產生分層、疏松、孔洞和夾雜等缺陷，作為承力構件，其中的缺陷會造成嚴重的后果。

目前，超聲檢測是CFRP復合材料最有效的無損檢測方法[9-10]，可準確地檢測出材料內部的缺陷，保證材料內部的質量。小截面CFRP復合材料方管具有管壁薄、材料聲衰減大、內腔小、長度大等特點，采用普通的超聲檢測法難以檢測。本文根據復合材料方管的成型工藝和結構特點，提出超聲對面內壁反射法，實現了該結構的超聲無損檢測，對保證飛行器飛行安全起到重要作用。

1 檢測方法的分析

復合材料常用的超聲檢測方法有脈沖穿透法和反射法[11]。超聲穿透法對CFRP復合材料具有很好的檢測效果，檢測時超聲穿透法需要使用2個超聲波探頭，一個探頭放置在復合材料方管外，另一個放置在復合材料方管內腔里面。但由于小截面CFRP復合材料方管的內腔尺寸小，探頭及探頭加持工裝無法放入內腔進行檢測。因此，超聲穿透法不適用于小截面CFRP復合材料方管內部缺陷的檢測。

復合材料方管厚度較薄，一般為0.5～2 mm。圖1是頻率為5 MHz的普通超聲波平探頭采用反射法檢測復合材料方管的反射信號圖。從圖1中可知，從A掃信號中無法分辨出界面波和底波。主要原因是方管的復合材料對超聲波信號的衰減嚴重，界面波較寬，檢測信號的信噪比較低，無法分辨界面波和底波。

圖1 超聲反射法檢測信號

由上述分析可知，采用超聲穿透法和反射法均難以檢測小截面CFRP復合材料方管中的缺陷。根據復合材料方管件材料的組成和結構，擬采用整體超聲穿透法。

采用整體超聲穿透法檢測示意圖如圖2所示，采用液浸的方式進行耦合，探頭放在復合材料方管平行外壁的兩側。發射探頭發射超聲波信號，超聲波信號經過2個外壁到達接收探頭，接收探頭接收超聲波信號，在超聲儀上顯示。檢測時，當復合材料方管內部存在分層、孔洞或夾雜等缺陷時，超聲波信號在復合材料方管中的傳播受到阻斷，接收探頭接收的超聲波(穿透波)信號的幅值將降低或消失，因此可根據穿透波的幅度來判斷復合材料方管中有無缺陷。采用該方法判斷缺陷直觀，實施起來容易，但檢測復合材料方管時，不能判斷缺陷所處的深度位置，即檢測出缺陷時，不能判斷是方管的哪一個外壁中存在缺陷。

圖2 整體穿透法示意圖

針對超聲穿透法、超聲反射法無法檢測復合材料方管中的缺陷以及整體超聲穿透法無法準確檢測復合材料方管中缺陷所處的深度位置的情況，本文提出了超聲對面內壁反射法，即采用超聲反射法檢測產品的一面時，根據另外一面的內壁反射波的幅值來判斷檢測面內的缺陷情況。根據復合材料方管的成型工藝，可知方管內部的模具為金屬或硅橡膠，復合材料方管件脫模后內壁較平整，對超聲波的反射效果較好，所以可采用超聲對面內壁反射法。

超聲對面內壁反射法檢測復合材料方管，如圖3所示，采用液浸的方式進行耦合，只采用單探頭，該探頭既發射超聲波信號又接收超聲波信號，超聲波經過被檢測的復合材料方管的一面，傳播至被檢面的對面的內表面，經內表面反射后，沿原路徑返回。根據內表面反射波幅值的高低來判斷檢測面一層的復合材料中是否存在缺陷。由于方管的形狀規則，故采用C掃的方式進行掃查。

采用超聲對面內壁反射法，用頻率為1 MHz的超聲波探頭對復合材料方管有、無分層缺陷處分別進行檢測。圖4為無缺陷處的A掃信號，界面波幅值為滿幅的72%，對面內壁反射波幅值為24%。圖5為有缺陷處的A掃信號，界面波幅值為95%，對面內壁反射波幅值為0。由圖4、5可知，從無缺陷處到有缺陷處，界面波幅值由72%增加到90%，原因為分層缺陷反射波的疊加效果導致界面波幅值增加，增加的倍數為90%/72% =1.25，實際檢測時難以根據界面波區分有無缺陷，因為一般需要比值大于2時[12]才能準確檢測和判斷有無缺陷；從無缺陷處到有缺陷處，對面內壁反射波幅值由24%降低為0，幅值變化很明顯，可根據對面內壁反射波幅值來判斷檢測面一側是否存在缺陷，檢測結果具有很高的可靠性，即超聲對面內壁反射法可用于檢測小截面CFRP復合材料方管。

圖3 超聲對面內壁反射法示意圖

圖4 超聲對面內壁反射法檢驗無缺陷界面時的A掃信號

圖5 超聲對面內壁反射法檢驗有缺陷界面時的A掃信號

2 檢測試驗及結果

2.1 試塊制備

因產品要求檢測的最小的缺陷為10 mm×10 mm，故將10 mm×10 mm的兩層聚四氟乙烯薄膜置于檢測面復合材料內的不同厚度處，模擬不同深度的分層缺陷，制作試塊，如圖6所示。

圖6 設置了人工缺陷的試塊示意圖

2.2 檢測結果

2.2.1 檢測參數

檢測方法：超聲對面內壁反射法；探頭參數：頻率為1 MHz、直徑為10 mm的水浸平探頭；掃查步進：1 mm；耦合方式：水浸耦合；靈敏度：對面內壁反射波幅值為25%；閾值：雙色(12.5%～100%為黃色，0～12.5%為紅色)；掃查速度：100 mm·s-1；掃查方向：與方管長度方向垂直。

2.2.2 檢測結果

按照檢測參數對預置缺陷試樣進行檢測，得到C掃圖如圖7所示。對C掃圖中的缺陷進行編號，從左向右測量缺陷的面積，測量數據見表1。由表1可知，預置缺陷面積的測量值與理論值誤差均小于10%，可見C掃圖能夠準確地顯示出預置缺陷的面積。

圖7 試樣檢測的C掃圖

表1 試樣C掃圖中缺陷的面積

2.2.3 實際產品檢測

對某件小截面CFRP復合材料方管實際產品按照2.2.1中的對面內壁反射法的檢測參數進行檢測，得到C掃圖如圖8所示，從圖8中可以發現缺陷。對缺陷處進行解剖，得到的金相圖如圖9所示，從金相圖可以看出明顯的分層和孔洞缺陷，表明實際缺陷區域與檢測結果一致，且提出的方法能有效檢測出產品中的分層和孔洞缺陷，但難以區分這兩類缺陷。

圖8 實際產品檢測的C掃圖

圖9 缺陷處金相圖

3 結論

(1) 超聲穿透法、超聲反射法和整體超聲穿透法均不適合檢測小截面CFRP復合材料方管，提出了超聲對面內壁反射法。

(2) 實驗結果表明，采用提出的檢測方法能夠全部檢出試樣中的10 mm×10 mm的人工缺陷，且可有效地檢測實際產品中的分層和孔洞缺陷。

[1] 張銳, 陳以方, 付德永. 復合材料手動掃描超聲特征成像檢測[J]. 材料工程, 2003(4): 34-35.

ZHANG Rui, CHEN Yifang, FU Deyong. Composite manual scanning ultrasonic feature imaging testing[J]. Material Engineering, 2003(4): 34-35.

[2] 葛邦, 楊濤, 高殿斌, 等. 復合材料無損檢測技術研究進展[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2009(6): 67-71.

GE Bang, YANG Tao, GAO Dianbin, et al. Research progress on nondestructive testing technology of composite materials[J]. Fiber reinforced plastic/composites, 2009(6): 67-71.

[3] 顧軼卓, 李敏, 李艷霞, 等. 飛行器結構用復合材料制造技術與工藝理論進展[J]. 航空學報, 2015, 36(8): 2773-2774.

GU Yizhuo, LI Min, LI Yanxia, et al. Progress in technology and process theory of composite material manufacturing for aircraft structure[J]. Journal of Aeronautics, 2015, 36(8): 2773- 2774.

[4] 邵曉瓊, 謝端龍. 復合材料在飛行器上的應用[J]. 江蘇航空, 2001(4): 10-11.

SHAO Xiaoqiong, XIE Duanlong. Application of composite materials in the aircraft[J]. Jiangsu Aviation, 2001(4): 10-11.

[5] 鄭錫濤, 陳浩遠, 李澤江, 等. 先進復合材料在未來飛行器中的應用[J]. 航空工程進展, 2011, 2(2): 181-182.

ZHENG Xitao, CHEN Haoyuan, LI Zejiang, et al. Applications of advanced composites in future aircraft[J]. Aeronautical Engineering Progress, 2011, 2(2): 181-182.

[6] 劉源, 肖任勤, 韓德東, 等. 飛行器主承力結構的輕量化設計[J]. 光學精密工程, 2015, 23(11): 3083-3084.

LIU Yuan, XIAO Renqin, HAN Dedong, et al. Lightweight design of the main bearing structure of aircraft[J]. Optical Precision Engineering, 2015, 23(11): 3083-3084.

[7] 王成亮, 楊波. 飛機復合材料超聲紅外無損檢測實驗研究[J]. 激光與紅外, 2010, 40(4): 376-379.

WANG Chengliang, YANG Bo. Experimental study on ultrasonic infrared nondestructive testing of aircraft composites[J]. Laser and Infrared, 2010, 40(4): 376-379.

[8] 曹曉明, 顧軼卓, 李超, 等. 碳纖維復合材料方管硅橡膠熱膨脹成型工藝研究[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2012(6): 64-68.

CAO Xiaoming, GU Yizhuo, LI Chao, et al. Carbon fiber composite square silicon rubber thermal expansion molding process of[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites, 2012(6): 64-68.

[9] 高曉進, 張崢. CFRP中孔隙幾何形貌與超聲衰減系數關系的研究[J]. 材料工程, 2012(7): 59-60.

GAO Xiaojin, ZHANG Zheng. Research on the relationship between pore geometry and ultrasonic attenuation coefficient in CFRP[J]. Material Engineering, 2012(7): 59-60.

[10] 沈建中, 林俊明. 現代復合材料的無損檢測技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2016: 94-109.

SHEN Jianzhong, LIN JunMing. Nondestructive testing technology of modern composite materials[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2016: 94-109.

[11] 史亦韋. 超聲檢測[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009: 85-88.

SHI Yiwei. Ultrasonic testing[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2009: 85-88.

[12] 張祥林, 謝凱文, 姜迎春. 復合材料板-板粘接結構超聲檢測[J]. 無損探傷, 2011, 35(4): 18-21.

ZHANG Xianglin, XIE Kaiwen, JIANG YingChun. Composite plate-plate bonding structure ultrasonic testing[J]. Nondestructive Testing, 2011, 35(4): 18-21.

Ultrasonic testing method for CFRP composites of small section square tube structure

GAO Xiao-jin, ZHOU Jin-shuai, ZHANG Tie-fu

(Research Institute of Aerospace Special Materials and Processing Technology, Beijing 100074, China)

The CFRP composites of small square tube structure have been applied in new aircrafts. According to the material and structure characteristics of the CFRP square tube, the applicability of the frequently used ultrasonic penetration method, ultrasonic reflection method and entire ultrasonic penetration method to square tube quality inspection is analyzed and compared, and a method of ultrasonic reflection on the opposite inner wall is proposed and used to test the artificial defects in test specimen and actual products. The results show that this method can inspect all the artificial delamination defects of 10mm×10mm in the test specimen and the delamination and hole defects in the actual products.

Carbon Fiber Reinforce Polymer (CFRP) composite; small section; square tube; ultrasonic testing

TB559

A

1000-3630(2019)-01-0058-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.009

2018-01-26;

2018-03-08

高曉進(1987－), 男, 江西人, 碩士, 研究方向為復合材料無損檢測。

高曉進,E-mail: gao19870311@163. com