碳纖維復合材料熱損傷的渦流阻抗軌跡檢測

喻星星，朱 穎，曹 艷，付躍文

(1.空軍航空維修技術學院，長沙 410124；2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

碳纖維復合材料具有質量小、強度大、耐腐蝕、結構穩定等優異的性能,被廣泛應用于航空制造業[1]。碳纖維復合材料具有一定的導電能力，但相比于金屬材料，其導電能力較弱[2]，被雷擊后受損嚴重。據統計數據顯示，每架飛機每年平均遭遇兩次雷擊。對商業航線飛機而言，這是大概率事件。另有統計數據表明，1架飛機平均飛行3 000 h就有可能遭遇1次雷擊[3]。

雷擊通常造成復合材料結構出現分層、表層穿孔、燒蝕等熱損傷。雷擊區域呈黑色，熱影響區遠大于直接燒蝕區[4]。圖1為民航飛機遭受雷擊后，碳纖維復合材料構件部分損傷外觀(損傷包括分層、向外鼓出燒蝕等，其中實際分層區面積大于雷擊燒蝕區面積)。碳纖維復合材料結構遭遇雷擊后，需要用敲擊法或其他無損檢測(NDT)方法對其熱損傷進行檢測，以確定熱損傷導致的分層及材料性狀改變的區域。該區域范圍可能很大，且不易確定。

圖1 飛機碳纖維復合材料結構的部分雷擊損傷外觀

渦流檢測方法對電導率改變的測試具有很高的靈敏度[5]，同時對碳纖維復合材料的分層、厚度改變、開裂等問題也具有很好的檢測效果[1]。可以采用渦流檢測方法對碳纖維復合材料的熱損傷進行無損檢測，對其損傷程度開展評估。

1 碳纖維復合材料熱損傷渦流檢測原理

1.1 導電原理

滲流理論是碳纖維復合材料導電原理的主流理論，該理論認為，當碳纖維復合材料內部的碳纖維單絲含量達到某一臨界值(滲濾濃度)時，材料內部的碳纖維單絲彼此相互接觸，形成導電通道，且導電通道形成的概率隨碳纖維含量的增加而增大，其內部的電容及電阻網絡如圖2所示。當外加電場足夠大時,復合材料內部的電子定向移動形成電流。另一種常見的理論是隧穿理論，其認為碳纖維復合材料內部的碳纖維單絲不可能完全接觸構成穩定的導電網絡，而是依靠電子的隧穿效應跨越材料內部阻隔纖維之間的絕緣層來參與導電的[3,6-7]。

圖2 碳纖維復合材料內部的電容及電阻網絡示意

1.2 渦流檢測阻抗分析

渦流檢測是建立在電磁感應基礎上的一種無損檢測方法，適用于導電材料。碳纖維復合材料可視作由電容和電阻構成的網絡結構，而這些電容和電阻與渦流檢測時的渦流特性有關，當碳纖維復合材料存在熱損傷時，其電容和電阻發生變化，導致其導電能力發生改變，從而影響檢測線圈的阻抗。

阻抗分析法是以分析渦流效應引起的線圈阻抗與相位變化之間的關系為基礎，進而鑒別各影響因素效應的一種分析方法。在常規渦流檢測阻抗分析中，檢測人員通常對阻抗平面圖進行歸一化處理。歸一化后的阻抗平面圖既有統一的形式，又有廣泛的可比性[5]。

2 碳纖維復合材料熱損傷檢測系統

碳纖維復合材料熱損傷檢測系統主要包括渦流檢測儀、碳纖維渦流阻抗測試專用探頭、碳纖維復合材料熱損傷試件等。

2.1 檢測儀器及探頭

試驗使用EEC-35+型多頻渦流檢測儀，其具備兩個獨立可調的檢測頻率，支持自動混頻，可變頻率為64 Hz5 MHz，其工作原理框圖如圖3所示。

圖3 EEC-35+型多頻渦流檢測儀的工作原理框圖

通過檢測探頭可獲得碳纖維復合材料的渦流檢測信號，再由計算機系統實現儀器的管理、控制、計算(阻抗分析)和圖形顯示(阻抗圖顯示)功能。檢測使用的渦流探頭為絕對式渦流平探頭，探頭線圈直徑為5 mm，頻帶為500 kHz5 MHz。

2.2 檢測試樣

檢測試樣為T300級平紋啞光的碳纖維復合材料板，尺寸(長×寬×厚，下同)為100 mm×100 mm×2 mm(4塊)和100 mm×200 mm×2 mm。不同熱損傷程度的碳纖維復合材料試樣外觀如圖4所示(圖中高溫暴露指熱損點暴露于噴射火焰下，直接暴露點直徑為20 mm)。長為200 mm的碳纖維復合材料熱損傷試樣外觀如圖5所示，該試樣用于研究距熱損傷不同距離處的渦流阻抗，熱損點在噴射火焰下暴露20 s，直接暴露點直徑為20 mm。試樣在噴射火焰中暴露的時間不同，將導致試樣產生不同程度的分層缺陷。持續火焰燒蝕可制作穿孔等缺陷，該缺陷外觀與雷擊損傷有很高的相似性。

圖4 不同熱損傷程度的碳纖維復合材料試樣外觀

圖5 長為200 mm的碳纖維復合材料熱損傷試樣外觀

將超聲探頭分別置于完好試樣以及試樣3背面的中心進行檢測，檢測結果如圖6所示。

圖6 完好試樣及試樣3的超聲檢測結果

3 不同頻率下熱損傷試樣的渦流阻抗檢測

圖7為不同頻率下不同熱損傷程度試樣的渦流阻抗軌跡(橫縱坐標均為相對比值，無量綱，Δω為角頻率的變化量;ω為角頻率;L為電感;L0為線圈在空氣中的電感；R為電阻)，可見碳纖維復合材料完好試樣與熱損傷試樣的渦流阻抗有明顯差異。頻率為500 kHz時,根據阻抗軌跡不能有效區分不同熱損傷程度的試樣。隨著檢測頻率的升高,不同熱損傷程度試樣的渦流阻抗變化軌跡開始可以區分(2 MHz)；繼續提高檢測頻率(3.333，5 MHz)，不同熱損傷程度試樣渦流信號的區分度進一步提高。

圖7 不同頻率下不同熱損傷程度試樣的渦流阻抗軌跡

4 距離熱損傷中心不同位置處的渦流阻抗檢測

對圖5所示的試樣進行渦流阻抗檢測，檢測頻率分別為2，3.333，5 MHz(由第3節試驗可知，頻率低于2 MHz時，檢測效果不佳)。試驗利用有機玻璃體來調節阻抗平面圖的平衡位置，分別對試樣熱損傷的中心，距熱損傷中心10，30，60，100 mm位置進行渦流阻抗軌跡檢測，檢測結果如圖8所示，可見，隨著距熱損傷中心距離的增加(熱損傷程度逐漸減弱)，阻抗軌跡信號呈規律變化,且隨頻率的提高，距熱損點不同位置阻抗軌跡的區分度提高。這一規律可用于熱損傷點周圍熱損傷程度的判別和區域劃分。

圖8 不同頻率下距熱損傷中心不同位置處的渦流阻抗軌跡

5 結語

采用不同檢測頻率對完好試樣和不同熱損傷程度的試樣進行渦流阻抗檢測，發現隨檢測頻率的升高，不同熱損程度試樣信號的區分度提高，說明渦流阻抗軌跡檢測法可對不同的熱損傷程度進行有效識別。對距離熱損傷中心不同位置處的渦流阻抗軌跡進行分析，發現阻抗軌跡隨距離的增大呈規律性變化。檢測結果可用于碳纖維復合材料熱損傷程度或者熱損傷影響范圍的識別，為碳纖維復合材料的修理工作提供支持。