碳纖維增強樹脂基復合材料表面隱身厚涂層對超聲波檢測的影響

李燕平 呂曉雷 王云飛 廖可 李文輝

摘 要：針對碳纖維增強樹脂基復合材料表面隱身結構的厚涂層將對超聲波檢測的影響，設計了一套試驗方案，模擬復合材料在實際使用過程中出現的缺陷，并制作了相應的試驗板加以驗證。使用該方案可以得到在不同種類漆層、不同厚度漆層對超聲波檢測的影響大小。結果表明，碳纖維增強樹脂基復合材料表面噴涂隱身涂層體系后，用超聲波探傷預埋的各處缺陷發現試塊底波衰減很明顯，對小于φ3mm聚四氟乙烯薄膜缺陷無法判別。

關鍵詞：復合材料；隱身涂料；超聲波探傷

中圖分類號：V267+.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0114-02

Abstract： In view of the influence of the thick coating of the stealthy structure on the surface of carbon fiber reinforced resin matrix composites on ultrasonic testing， a set of test scheme is designed to simulate the defects of carbon fiber reinforced resin matrix composites in practical use. And the corresponding test board is made to verify it. By using this scheme， the influence of different kinds of paint layers and different thickness paint layers on ultrasonic testing can be obtained. The results show that after spraying the stealthy coating system on the surface of carbon fiber reinforced resin matrix composites， it is found that the bottom wave attenuation of the specimen is obvious， and it is impossible to distinguish the defects of polytetrafluoroethylene film smaller than φ 3mm.

Keywords： composite material； stealthy coating； ultrasonic flaw detection

1 概述

碳纖維增強樹脂基復合材料由于具有重量輕、強度高、剛性強、耐磨損且易于設計等特點，因此在航空飛行器上得到極為廣泛的應用。然而碳纖維增強樹脂基復合材料結構受制造工藝等因素影響會產生各種缺陷，如空隙、分層、脫膠等；裝配過程中，在外載作用下也會出現損傷，常見損傷有分層、脫膠、表面劃傷、錯鉆孔、孔邊損傷、沖擊損傷、雷擊損傷、戰傷、裂紋、燃燒等[1]。無論是受制造工藝的生產缺陷還是裝配過程中帶來的機械損傷都會使飛機結構受損、表面氣動性能下降，從而導致結構使用壽命降低。

碳纖維增強樹脂基復合材料在航空飛行器上應用中，由于受到振動、外來物損傷等環境因素的影響，易出現層板分層、劃傷、脫膠、斷裂、進水、蜂窩芯壓塌等問題。其中，分層及脫膠是較為常見的缺陷[2]。在后期航空飛行器使用過程中，復合材料受到的沖擊逐漸加大，當機組人員真正目視到其所受的損傷時，其內部實際上已開始分崩離析，結構強度降低，將可能造成質量事故，因此加強對航空復合材料的無損檢測極為重要。

超聲波檢測技術屬于應用較為廣泛的無損檢測技術，其實用性極強[3]。超聲波檢測技術的應用優勢主要為：穿透性極強，對平面型缺陷的探查較為靈敏準確，且整個檢測操作安全可靠，可幫助實現自主化檢測。但不可否認的是，該檢測技術在應用中還存在著部分不足。如對復雜構件的缺陷檢測難度較大，且常需運用耦合劑將探頭、被測構件之間的空隙填充完整[4]。應用此技術，可準確檢測出復合材料的常見缺陷，如疏松、分層、孔隙等，因此，被全面應用于航空領域的制造維護工作中。

由于當前先進戰機為提高雷達隱身效果，常采用涂覆雷達吸波材料進行雷達隱身。而涂覆的隱身涂層反射率與涂層的厚度密切相關，在某些頻段范圍內，涂層未達到臨界厚度時，隨著涂層厚度的增加，涂層整體反射率變好。因此，航空飛行器表面涂覆涂料種類多、結構復雜、且隱身涂層較厚，一般可達500um。然而，隨著復合材料基體表面的涂層變厚，超聲波檢測探頭與被測復合材料距離增大，測試環境趨于復雜，將給超聲波檢測復合材料缺陷造成影響，為掌握，研究了多層結構隱身厚涂層在對超聲波檢測的影響規律。

2 試驗

2.1 原材料

CCF300/QY9511碳纖維預浸料、42-Cu84A銅網、H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、導電涂料、雷達吸波涂料、紅外吸波面漆、聚四氟乙烯薄膜。

2.2 測試儀器

普通漆層厚度測試儀：德國EPK公司的MiniTest 600B型測厚儀；

吸波涂層厚度測試儀：北京恒星研制的FT-150型涂層測厚儀；

復合材料無損檢測儀：汕頭SIUI公司CTS-9008型數字超聲波探傷儀。

2.3 試驗件制備要求

制備編號為M1的CCF300/QY9511碳纖維復合材料試板，該試板尺寸為200mm×150mm×1.5mm；鋪層為[45/90/-45/0/0/0]s；復合材料層壓板表面需鋪貼一層42-Cu84A銅網。試板鋪貼過程中，預制12處缺陷試塊固化要求按Q/ZHFC 1204.6-2011《QY9511樹脂基復合材料 第八部分 CCF300/QY9511預浸料》制造。試板固化后用超聲波A掃進行疏松、分層、孔隙等無損檢測。

2.4 試驗件噴涂

CCF300/QY9511碳纖維復合材料試板在銅網表面依次按相應施工工藝噴涂H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、導電漆、TB06-9底漆、雷達吸波涂料、TB06-9底漆和紅外吸波面漆。

3 檢測結果與分析

為驗證在無損檢測條件下每層涂料對復材中缺陷的影響，制備了圖號為M1復材層壓板，預制12處缺陷，缺陷1～4在靠近試塊上表面（銅網面）的第三層，缺陷5～8位于試塊中間，缺陷9～12在靠近試塊下表面的第三層。缺陷1、5、9、3、7、11鋪貼為一層聚四氟乙烯膜，缺陷2、6、10、4、8、12鋪貼為兩層聚四氟乙烯膜。缺陷在試片中的位置如圖1所示。

M1復材層壓板試驗件相應要求進行噴涂，先后共經過8次噴涂，該試塊及每噴涂一層漆后進行超聲波檢測。用CTS-9008型數字超聲波探傷儀對預埋的各處缺陷進行檢查，9次超聲波探傷檢測結果見表1所示。

根據無損檢測缺陷數據發現：（1）M1復材層壓板在噴涂導電層之前，按圖1要求依次噴涂了H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆，隨著基材表面漆層的增加，缺陷波高有所提高。這可能是工件表面不平滑度造成的，由于復合材料表面鋪貼了銅網，而銅網存在一定厚度（51um），造成試板表面凹凸不平。隨著漆膜層數增加，漆層厚度變厚，試板凹凸表面被填平，超聲波探傷效果變好，缺陷波高有所提高。（2）M1復材層壓板在按圖1要求噴涂至導電層后，超聲波探傷預埋的各處缺陷發現底波衰減比較明顯，下降2-3dB。說明導電涂層對超聲波探傷影響較大，可能是由于導電涂層較厚（60um）且存在大量金屬離子造成的。（3）M1復材層壓板在按圖1要求噴涂至雷達吸波隱身涂層后，超聲波探傷預埋的各處缺陷發現底波衰減非常明顯，下降7-8dB。說明雷達吸波隱身涂層對超聲波探傷影響非常大，可能是由于噴涂的雷達吸波隱身涂層較厚（500um）且存在大量金屬離子造成的。（4）M1復材層壓板按要求噴涂的涂層體系（依次噴涂H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、導電漆、TB06-9底漆、雷達吸波涂料、TB06-9底漆和紅外吸波面漆）后，用超聲波探傷預埋的各處缺陷發現試塊底波衰減很明顯，提高檢測靈敏度后，12處缺陷仍可以被檢測出來。其中預埋的一層和兩層聚四氟乙烯薄膜缺陷，用超聲波探傷得出的結果無明顯差別，無法區分。對比監控傷波波高發現，φ3mm的缺陷波高為60%時，雜波波高最高達到30%，缺陷和雜波沒有明顯區分開，不易分辨。如采用監控底波衰減的辦法來判斷是否有缺陷，探頭直徑為6mm，探頭放置在3mm缺陷上底波只降低50%，探頭不停在掃查，底波衰減一晃而過，人眼不容易發現。反復試驗發現如不告訴試塊上有缺陷，則φ3mm的缺陷手工掃查容易漏檢。

4 結束語

碳纖維增強樹脂基復合材料層壓板表面噴涂隱身涂層體系后，用超聲波探傷預埋的各處缺陷發現試塊底波衰減很明顯。在預知缺陷位置后，提高檢測靈敏度，12處缺陷仍可以被檢測出來，但無法區分預埋缺陷中聚四氟乙烯薄膜的層數，用人工掃查方式對φ3mm聚四氟乙烯薄膜缺陷判斷困難、容易漏檢。

參考文獻：

[1]孫雨辰，季佳佳，馮蘊雯，等.航空復合材料結構修理方法[J].航空制造技術，2015（20）.

[2]詹湘琳，韓紅斌，周德新，等.民用飛機復合材料結構件超聲相控陣無損檢測技術進展[J].航空制造技術，2014（15）：124-127.

[3]南勇濤.民用航空器復合材料的無損檢測技術[J].科技資訊，2012（28）：82.

[4]魏建義.航空復合材料無損檢測應用研究[J].現代制造技術與裝備，2016（1）.