淺析超聲波檢測復合材料

唐曉龍

西安新宇航空維修工程有限公司 陜西 西安 710089

1 復合材料

1.1 復合材料的發展

20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

1.2 航空復合材料

航空復合材料的主要特點為：重量輕、強度高、剛性強、耐磨損且易于設計，符合航空飛行器的應用要求。因此， 其在航空飛行器市場中得到極為廣泛的應用。

1.3 航空復合材料缺陷

航空復合材料缺陷按形成原因分類，可分為以下幾種[1]：①工藝缺陷。復合材料在成型中會因工藝因素的 影響而產生各類缺陷，如分層、脫膠、斷裂、裂紋及蜂窩芯的變形、節點脫開、發泡膠空洞等。②使用缺陷。復合材料在應用中，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，也是航空無損檢測的重點。

在后期航空飛機運行中，復合材料受到的沖擊逐漸加大，當維修人員真正目視到其所 受的損傷時，其內部實際上已出現大量分層， 材料強度已降低至原有的 40%，這對航空工作的順利及高效開展會造成極為不利的影響。

2 無損檢測技術

無損檢測技術被簡稱為 NDT，主要是指運用非破壞性的方式，科學運用聲、電、熱、射線、磁等方式對復合材料構件的內部質量及存在缺陷進行科學檢查，并探明缺陷的 具體位置。此篇主要講述超聲波檢測在復合材料無損檢測中的應用。

2.1 超聲波

機械振動在介質中的傳播過程叫作波，人耳能夠感受到頻率高于20Hz，低于20000Hz的彈性波，所以在這個頻率范圍內的彈性波又叫聲波。頻率小于20Hz的彈性波又叫次聲波，頻率高于20000Hz的彈性波叫作超聲波。

2.2 超聲波的特點

①超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質中沿直線傳播，具有良好的指向性；②超聲波在介質中傳播過程中，會發生衰減和散射；③超聲波在異種介質的界面上將產生反射、折射和波型轉換，利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達到探測缺陷的目的；④超聲波的能量比聲波大得多；⑤超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大。

由于超聲波在異質界面上會發生反射、折射等現象，尤其是不能通過氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷（缺陷中有氣體）或夾雜，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時，就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過儀器內部的電路處理，在儀器的熒光屏上就會顯示出不同高度和有一定間距的波形。可以根據波形的變化特征判斷缺陷在工件中的深度、位置和形狀。

2.3 超聲波檢測

超聲波探傷儀的種類繁多，但脈沖反射式超聲波探傷儀應用最廣。一般在均勻材料中，缺陷的存在將造成材料不連續，這種不連續往往有造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質的界面上會發生反射。反射回來的能量的大小與交界面兩邊介質聲阻抗的差異和交界面的取向、大小有關。脈沖反射式超聲波探傷儀就是根據這個原理設計的[2]。

脈沖反射式超聲波探傷儀大部分都是A掃描式的，所謂A掃描顯示方式即顯示器的橫坐標是超聲波在被檢測材料中的傳播時間或者傳播距離，縱坐標是超聲波反射波的幅值。譬如，在一個工件中存在一個缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之間形成了一個不同介質之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當發射的超聲波遇到這個界面之后就會發生反射，反射回來的能量又被探頭接收到，在顯示器屏幕中橫坐標的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷波在被檢測材料中的深度。這個反射波的高度和形狀因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性質。

超聲波探傷優點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進行定位和定量，也適合于厚度較大的零件檢驗。超聲波探傷缺點是對缺陷的顯示不直觀，探傷技術難度大，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結果不便于保存，超聲波檢測對工作表面要求平滑，要求富有經驗的檢驗人員才能辨別缺陷種類。

3 超聲波檢測在實際工作中的應用

通過以上兩個章節，我們對復合材料和超聲波檢測技術有了一定的了解，在此章節主要分析針對單板結構、粘接結構、覆蓋有隱身涂層的復合材料及密集空隙的超聲波檢測[3]。值得一提的是由于復合材料由基體和增強材料構成，所以超聲波在其中并不是勻速的傳播，故而不能準確定位缺陷埋深，實際超聲波檢測中聲速一般設置為3000m/s。我們可以根據始波與底波間的距離，估算出分層的大概埋深用分數表示。

3.1 單板結構

3.2 粘接結構

粘接結構主要應用在蒙皮與梁、長桁的結合處，主要分為粘接和粘接+螺接兩種。這種連接方式就是用膠將兩層類似于單板的復合材料粘接起來，所以主要缺陷就是分層、上/下膠層脫粘。

分層缺陷分為上層單板分層跟下層單板分層波形顯示類似于單板結構。

粘接缺陷主要顯示波形如下圖。左側為膠層完好時的波形顯示，中間為上膠層脫粘，右側為下膠層脫粘。實際檢測中主要觀察膠層回波與底波的幅度變化情況。

圖1 超聲波檢測復合材料的粘接結構

3.3 覆蓋有隱身涂層的復合材料

在這種情況下，檢測時應注意分析始脈沖波與底波之間出現的回波是由隱身涂層引起的界面回波還是材料中的缺陷波。當超聲波進入到被檢材料時，先經過覆蓋層與層板材料的界面，再進入到層板中。由于隱身涂層與層板的材料聲阻抗差異，在界面上會產生界面回波，界面回波在 時基線上顯示的位置是與隱身涂層厚度相對應的。同時，可以見到底波位置的后移，其后移的距離應為隱身涂層的厚度。

圖2 超聲波檢測覆蓋有隱身涂層的復合材料

3.4 密集空隙

由于疏松、孔隙率等缺陷引起的超聲的散射，會有草狀回波（雜波）出現，同時使底波的幅度下降或消失。因此，檢測時通常根據底波的幅 度降低量和雜波的高低情況進行判斷層板的質量。在疏松、孔隙率等缺陷部位，可以發現底 波幅度比正常區域的底波有明顯的降低，同時隨著探頭的移動，在始波與底波之間通常可觀察到幅度起伏變化的雜波。雜波幅度高低與缺陷空隙尺寸大小有關，疏松、孔洞類缺陷的雜 波幅度較大；但對于孔隙率缺陷，由于孔隙尺寸很小，細小尺寸的孔隙缺陷幾乎見不到回波， 只顯示底波幅度降低。

圖3 超聲波檢測的復合材料中含有空隙

HB7224－95標準規定的空隙類缺陷的評定界限為：10MHz 頻率的最大信號衰減率為 70%；5MHz頻率的最大信號衰減率為 50%；2.5MHz頻率的最大信號衰減率為 25%。超過以上值則視為缺陷。因此，對于疏松、空隙類缺陷邊界的測定，可以按規定的界限值，檢測信號衰減變化量的方法進行。