多相非均質(zhì)GFRP材料的超聲檢測(cè)及其聲學(xué)特性

張書寧，劉小川，馬志遠(yuǎn)，武 玉，林 莉

(1.大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所， 大連 116024；2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院(安徽能源實(shí)驗(yàn)室)， 合肥 230051)

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基(GFRP)復(fù)合材料是以玻璃纖維或玻璃纖維織物為增強(qiáng)體，樹脂為基體，通過(guò)特殊的材料復(fù)合工藝制成的，具有絕緣、耐低溫、抗輻射等特性，其具有較高的低溫強(qiáng)度和較高的低溫?cái)嗔秧g性，被廣泛用于超導(dǎo)磁體的絕緣[1-2]。例如目前全球規(guī)模最大的“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃”裝置，其核心部件之一的超導(dǎo)磁體PF6線圈就采用GFRP復(fù)合材料作為絕緣層[3]。該絕緣層承擔(dān)著機(jī)械支撐、阻止導(dǎo)體之間的電氣連接和保護(hù)繞組正常工作等任務(wù)。復(fù)合材料常見缺陷類型有分層、氣孔、富樹脂和夾雜[4]，這些缺陷會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生影響，在服役過(guò)程中帶來(lái)安全隱患，因此利用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)GFRP材料進(jìn)行缺陷檢測(cè)具有重要意義[5]。

超聲檢測(cè)具有靈敏度高、能量集中、適用范圍廣、檢測(cè)速度快和對(duì)身體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)，在GFRP材料無(wú)損檢測(cè)中有廣闊的應(yīng)用前景。許多學(xué)者對(duì)鋪層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的GFRP材料開展研究，李曉紅等[6]采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)出了GFRP拉桿中距端面300 mm以內(nèi)2 mm深，0.5 mm寬的人工徑向裂紋。王浩全等[7]借助超聲C掃描技術(shù)檢測(cè)出了GFRP層板中φ1.0 mm的人工直孔和厚度為0.5 mm的人工鋁片。凡麗梅等[8]對(duì)GFRP層板預(yù)制分層缺陷進(jìn)行了水浸超聲C掃描成像，可檢出10.0 mm深，尺寸為3.2 mm×3.2 mm×0.02 mm(長(zhǎng)×寬×高)的分層。由于GFRP材料通常具有組成成分多樣和鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，工藝控制比較困難，除了裂紋、氣孔、夾雜和分層等缺陷外，材料內(nèi)還很容易出現(xiàn)層間樹脂分布不均勻和纖維屈曲、纏繞等現(xiàn)象，這些因素都可能干擾超聲波在材料中的傳播。ZHANG等[9]發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層間樹脂分布不均勻和纖維屈曲會(huì)對(duì)信號(hào)幅值比和傳播時(shí)間等參數(shù)產(chǎn)生較大影響。ONO[10]發(fā)現(xiàn)玻璃纖維角度和種類不同時(shí)聲速和時(shí)域衰減系數(shù)會(huì)存在較大范圍波動(dòng)。陸銘慧等[11]發(fā)現(xiàn)聲速和時(shí)域衰減系數(shù)等參數(shù)會(huì)隨GFRP孔隙率變化。綜上，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有多相非均質(zhì)性，而導(dǎo)致超聲波傳播行為復(fù)雜，信號(hào)辨識(shí)難度大，檢測(cè)信噪比低，給復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)帶來(lái)了困難。

針對(duì)超導(dǎo)磁體絕緣層用GFRP復(fù)合材料的超聲檢測(cè)問(wèn)題，對(duì)不同厚度層板試樣和絕緣層試塊中的人工鋼片以及分層、富樹脂等共計(jì)3種、11個(gè)缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)試驗(yàn)，分析了A掃描及B掃描的結(jié)果特征，結(jié)合金相檢驗(yàn)驗(yàn)證了超聲檢測(cè)的有效性，并討論了材料非均質(zhì)性導(dǎo)致的聲速和衰減波動(dòng)對(duì)缺陷檢測(cè)的影響。

1 GFRP材料聲學(xué)特性

1.1 試驗(yàn)樣品

圖1 玻璃纖維正交編織帶微觀結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)樣品為GFRP層板試樣和內(nèi)部為316L不銹鋼的絕緣層試塊，所用玻璃纖維為正交編織帶，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的樹脂包括聚酰亞胺樹脂和雙酚F環(huán)氧樹脂(GY 282型)。兩類GFRP樣品均采用真空壓力浸漬(VPI)工藝制備，VPI是指將玻璃纖維織物和聚酰亞胺按照鋪層結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行鋪層，隨后對(duì)鋪層和環(huán)氧樹脂體系分別抽真空，緩慢將樹脂體系輸入鋪層結(jié)構(gòu)浸漬，浸透后對(duì)試樣整體加壓，并在此壓力下加溫凝膠固化[1]。

層板試樣的尺寸為200 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬)，1#,2#,3#層板厚度分別為1.21,3.32,4.39 mm。每個(gè)層板均包含直徑分別為1.0,3.0,5.0 mm的圓形人工鋼片，1#,2#,3#層板缺陷深度分別為0.62,1.60,2.95 mm，層板試樣實(shí)物如圖2所示。

圖2 GFRP層板試樣實(shí)物

絕緣層試塊內(nèi)部為316L不銹鋼，外部包覆厚度為4.4 mm的GFRP層，試塊尺寸為400 mm×114 mm×114 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，絕緣層試塊包繞結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)目視檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2個(gè)異常區(qū)域，記作① 和②，隨機(jī)選取1處無(wú)異常區(qū)域，記作③，絕緣層試塊實(shí)物如圖4所示。

圖3 絕緣層試塊包繞結(jié)構(gòu)示意

圖4 絕緣層試塊實(shí)物

1.2 聲學(xué)特性表征

采用脈沖反射法計(jì)算材料聲速c和時(shí)域衰減系數(shù)α，其表達(dá)式為[12]

(1)

(2)

式中：d為材料厚度；Δt為表面反射回波和一次底面反射回波之間的時(shí)間差；A1為表面反射回波聲壓；A2為一次底面反射回波聲壓；R為聲壓反射系數(shù)；T為聲壓透射系數(shù)；可以通過(guò)聲壓反射/透射定律計(jì)算；下標(biāo)1表示楔塊，下標(biāo)2表示GFRP材料，下標(biāo)3表示空氣。

超聲檢測(cè)系統(tǒng)包括Olympus 5800型超聲脈沖發(fā)射儀、Tektronix-DPO 4032型數(shù)字示波器和中心頻率為5 MHz的常規(guī)縱波直探頭。采集各層板每個(gè)缺陷附近區(qū)域的A掃描信號(hào)，3種厚度GFRP層板缺陷附近的典型A掃信號(hào)如圖5所示。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著層板厚度由1.21 mm增加到4.39 mm，底面回波逐漸變?nèi)酢?#層板層間反射難以識(shí)別，2#和3#層板層間反射較明顯。分析認(rèn)為，1#層板最薄，層間反射弱且與表面和底面回波混疊；隨著2#和3#層板厚度逐漸增加，層間反射逐漸增強(qiáng)。

根據(jù)A掃描信號(hào)計(jì)算聲速和時(shí)域衰減系數(shù)，得到以下數(shù)據(jù)：1#層板聲速在2 918.46～3 256.41 m·s-1之間，時(shí)域衰減系數(shù)在8.22～12.58 dB·mm-1之間；2#層板聲速在2 698.71～2 800.05 m·s-1之間，時(shí)域衰減系數(shù)在6.33～7.09 dB·mm-1之間；3#層板聲速在2 738.31～2 900.04 m·s-1之間，時(shí)域衰減系數(shù)在5.03～5.32 dB·mm-1之間。GFRP層板聲速及時(shí)域衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果如表1，2所示。

圖5 3種厚度GFRP層板缺陷附近的典型A掃描信號(hào)

表1 GFRP層板聲速測(cè)量結(jié)果 m·s-1

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)層板進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為Omniscan MX2型相控陣超聲檢測(cè)儀，選用32陣元線陣探頭及其匹配的零度楔塊，探頭中心頻率為5 MHz。

表2 GFRP層板時(shí)域衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果 (dB·mm-1)

2.1 層板人工缺陷檢測(cè)

1#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果如圖6所示,在A掃描和B掃描中均可以觀察到直徑為5.0，3.0，1.0 mm的缺陷。由于缺陷距離上表面較近(0.62 mm)，A掃描中缺陷回波與表面回波略有混疊，但仍能區(qū)分。隨著缺陷直徑尺寸由5.0 mm減小到1.0 mm，缺陷回波幅值逐漸降低。B掃描結(jié)果中缺陷清晰可見，無(wú)缺陷處層間反射回波形成偽像，偽像幅值較缺陷幅值低。

圖6 1#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果(左：A掃，右：B掃)

2#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果如圖7所示,可見，缺陷識(shí)別效果與1#層板類似，3個(gè)不同尺寸缺陷均可觀察到。由于缺陷深度增加，A掃描中缺陷回波與表面回波分離，隨著缺陷直徑由5.0 mm減小到1.0 mm，缺陷回波幅值逐漸降低。類似地，B掃描結(jié)果可以清晰識(shí)別缺陷。

圖7 2#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果(左：A掃，右：B掃)

圖8 3#層板不同尺寸缺陷的A，B掃描結(jié)果(左：A掃，右：B掃)

3#層板缺陷的A，B掃描結(jié)果如圖8所示，在A掃描和B掃描結(jié)果中均可以觀察到φ5.0 mm和φ3.0 mm缺陷。對(duì)于φ1.0 mm缺陷，由于缺陷距離上表面較遠(yuǎn)(2.95 mm)，A掃描中缺陷回波幅值低，與層間反射回波幅值相當(dāng)且混疊，B掃描結(jié)果中難以識(shí)別。

材料本身的非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致層板聲速存在明顯波動(dòng)，故此處采用每個(gè)缺陷附近區(qū)域的聲速對(duì)缺陷深度進(jìn)行計(jì)算，3種厚度層板不同缺陷的定位結(jié)果如表3所示，可見，3種不同厚度層板9個(gè)人工鋼片計(jì)算深度與預(yù)埋深度的相對(duì)誤差最大值為3.88%。

表3 3種厚度層板不同缺陷的定位結(jié)果

2.2 絕緣層試塊實(shí)際缺陷檢測(cè)

使用上述超聲檢測(cè)工藝對(duì)絕緣層試塊的①、②、③區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)應(yīng)的B掃描結(jié)果及實(shí)物照片如圖9所示。由區(qū)域①的B掃描圖像可觀察到疑似分層缺陷，采用6 dB法(半波高度法)對(duì)缺陷進(jìn)行定量，缺陷尺寸約為40.6 mm×15.2 mm(長(zhǎng)×寬)，對(duì)應(yīng)的實(shí)物照片如圖9(d)所示。區(qū)域②對(duì)應(yīng)的B掃描圖像[見圖9(b)]未觀察到明顯缺陷，實(shí)物照片如圖9(e)所示。區(qū)域③屬于目視無(wú)異常區(qū)域，對(duì)應(yīng)的B掃描圖像[見圖9(c)]中亦未識(shí)別到明顯缺陷，實(shí)物照片如圖9(f)所示。

為了驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果，對(duì)區(qū)域①、②、③部位進(jìn)行解剖和宏觀金相檢驗(yàn)。絕緣層試塊不同區(qū)域的金相照片如圖10所示。區(qū)域①的金相照片中白色長(zhǎng)條為聚酰亞胺，厚度約為0.05 mm，每?jī)蓪泳埘啺分g是玻璃纖維正交編織帶與環(huán)氧樹脂混合層，黑色長(zhǎng)條為分層缺陷，橫穿整個(gè)長(zhǎng)度范圍，寬0.13 mm。由區(qū)域②的金相照片觀察可知，此處存在明顯的樹脂富集，分析認(rèn)為，由于材料采用VPI工藝制備，樹脂與玻璃纖維浸漬在一起，阻抗差異不大，未引起明顯的界面響應(yīng)。區(qū)域③的金相照片未發(fā)現(xiàn)異常。

圖9 絕緣層試塊3個(gè)區(qū)域B掃描結(jié)果及實(shí)物照片

圖10 絕緣層試塊不同區(qū)域的金相照片

2.3 分析及討論

GFRP多相材料鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，導(dǎo)致材料的聲學(xué)特性在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。ONO[10]對(duì)玻璃纖維種類和取向不同的GFRP材料聲速和時(shí)域衰減系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用1 MHz探頭，0°，90°單向和織物GFRP的聲速范圍為2 840～5 060 m·s-1；平均聲速為4 366.43 m·s-1；整體聲速相對(duì)于平均聲速波動(dòng)達(dá)35.0%；時(shí)域衰減系數(shù)范圍為0.072 6～0.441 0 dB·mm-1；平均時(shí)域衰減系數(shù)為0.17 dB·mm-1，整體時(shí)域衰減系數(shù)相對(duì)于平均時(shí)域衰減系數(shù)波動(dòng)達(dá)128.5 %。筆者結(jié)合GFRP材料試驗(yàn)樣品，從聲速、時(shí)域衰減系數(shù)和偽像等3個(gè)方面分別進(jìn)行分析及討論。

(1) 聲速波動(dòng)會(huì)給缺陷定位帶來(lái)誤差，2.1節(jié)中采用缺陷附近區(qū)域的聲速，對(duì)9個(gè)缺陷深度進(jìn)行了計(jì)算，其中誤差最大的是2#層板試樣中深度為1.66 mm的人工鋼片，缺陷定位誤差為3.88%。實(shí)際檢測(cè)中難以確定每個(gè)區(qū)域的準(zhǔn)確聲速，若采用層板的最小、平均或最大聲速對(duì)缺陷深度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于厚為4.39 mm的層板中深度為4 mm的缺陷，定位誤差最大值將達(dá)到12.38%。所以在實(shí)際檢測(cè)中，在對(duì)強(qiáng)非均質(zhì)性材料中深度較大的缺陷進(jìn)行定位時(shí)，建議采用缺陷附近的聲速進(jìn)行計(jì)算。

(2) 時(shí)域衰減系數(shù)波動(dòng)會(huì)對(duì)缺陷的識(shí)別和定量造成一定影響，材料本身衰減高且層間反射回波復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致缺陷回波的信噪比較低，給缺陷識(shí)別帶來(lái)一定困難，容易出現(xiàn)漏檢。從圖8(c)的A掃描結(jié)果可以看出，φ1.0 mm缺陷回波與層間反射回波發(fā)生混疊，且幅值相當(dāng)，缺陷難以識(shí)別。實(shí)際檢測(cè)中可以通過(guò)時(shí)間校正增益、補(bǔ)償或修正等來(lái)提高信噪比。

(3) 材料的非均質(zhì)性會(huì)引起復(fù)雜的超聲波折射和散射，同時(shí)，散射波強(qiáng)度和方向具有不確定性，導(dǎo)致回波信號(hào)復(fù)雜，有時(shí)存在偽像，給復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)帶來(lái)了困難。可以考慮借助金相解剖、微觀觀測(cè)等方法對(duì)GFRP材料的非均質(zhì)程度進(jìn)行描述，并采取試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法開展研究。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)研究GFRP材料的聲學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)同一層板聲速和時(shí)域衰減系數(shù)波動(dòng)性較大，不同厚度層板之間也存在差異。層板平均聲速為2 881.77 m·s-1，整體聲速相對(duì)于平均聲速波動(dòng)達(dá)13.0%；平均時(shí)域衰減系數(shù)為7.19 dB·mm-1，整體時(shí)域衰減系數(shù)相對(duì)于平均時(shí)域衰減系數(shù)波動(dòng)達(dá)74.9%。材料本身存在很強(qiáng)的非均質(zhì)性和高衰減性，同時(shí)還有著復(fù)雜的鋪層結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)對(duì)缺陷的定位定量造成一定的影響。

(2) 對(duì)3種厚度的GFRP層板試樣中φ5.0，3.0，1.0 mm的人工缺陷進(jìn)行超聲檢測(cè)，厚度1.21 mm和3.32 mm層板試樣中所有缺陷均可檢出，厚度4.39 mm層板試樣中可識(shí)別φ5.0 mm和φ3.0 mm缺陷。在絕緣層試塊中檢測(cè)出的分層缺陷尺寸約為40.6 mm×15.2 mm(長(zhǎng)×寬)，材料內(nèi)部存在的高衰減可能導(dǎo)致定量不準(zhǔn)確。

(3) 討論了GFRP材料非均質(zhì)性引起的聲速及時(shí)域衰減系數(shù)波動(dòng)和偽像對(duì)缺陷檢測(cè)的影響，并提出了一些對(duì)策。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)秀論文評(píng)選”活動(dòng)二等獎(jiǎng)。