碳纖維復合材料層壓板人工缺陷的水浸超聲檢測

李 鋒，呂洪濤，劉志毅，王俊濤，張方洲

(中國航空綜合技術研究所，北京 100028)

碳纖維復合材料層壓板具有較好的比強度和比剛度，同時還具有耐腐蝕、抗疲勞、耐高溫等優點，已廣泛應用于航空航天領域[1]。復合材料的成形過程很復雜，在制造工藝以及運輸、操作過程中都可能產生缺陷[2]。疲勞累計、撞擊、腐蝕等因素產生的缺陷容易危及產品的壽命及使用安全[1-3]。因此，對復合材料進行無損檢測及評價是至關重要的環節。水浸超聲C掃描檢測因具有靈敏度高、自動成像、檢測速度快、檢測效率高等優點，被廣泛應用于碳纖維復合材料層壓板缺陷的無損檢測和量化評估中。根據已有超聲檢測標準，在超聲檢測過程中，特別是在靈敏度調整和缺陷量化評估中，對比試塊具有極其重要的作用。隨著復合材料加工制造工藝水平的提高，已逐步形成了多種復合材料層壓板結構對比試塊加工方法，如貼膜法、插拔鋼片法、脫模劑法和脫模膏法等，然而，對不同人工缺陷對比試塊加工方法及其超聲檢測有效性的對比分析較少。為此，筆者采用不同復合材料層壓板人工缺陷加工工藝，制作了一批不同尺寸與埋深的人工缺陷對比試塊，并對試塊進行水浸超聲C掃描檢測試驗。

1 水浸超聲C掃描檢測方法及系統

超聲檢測主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如超聲波在通過材料時能量會損失，在聲阻抗不同的兩種介質分界面處會發生反射、折射和散射等，對工件中存在的缺陷進行檢測。

根據探頭與工件間的聲耦合方式，超聲檢測方法可以分為接觸法和液浸法等。接觸法是通過一層很薄的耦合劑將探頭與工件表面直接接觸進行檢測的技術。作為最基本的超聲檢測方法，接觸法操作簡便，能夠滿足絕大多數產品的要求。液浸法是將探頭和工件全部或部分浸入液體中，超聲波通過液體進入工件中的一種非接觸式超聲檢測方法。液浸法最常用的耦合劑為水，又稱水浸法。相比于接觸法，液浸法具有更好的耦合穩定性和檢測結果重復性，能實現自動檢測，降低人為干擾因素。水浸超聲檢測系統外觀如圖1所示。該系統由6軸掃描平臺、探頭、超聲激勵接收設備、水槽以及工控機等組成，可實現水浸超聲A，B，C掃描檢測。

圖1 水浸超聲檢測系統外觀

2 對比試塊的制作

層壓板的設計參照國家軍用標準GJB 8598-2015 《飛機復合材料結構設計通用要求》 中的復合材料一般設計要求和層壓板結構設計要求，層壓板的制作工藝符合GJB 2895-1997 《碳纖維復合材料層合板和層合件通用規范》 中對材料、理化性能、尺寸公差、翹曲、外觀質量等的要求，人工缺陷的制作方法參照了我國航空標準HB 7825-2007 《復合材料制件無損檢測對比試塊制作與要求》 中人工缺陷制作的相關要求和HB 5461-1990 《金屬結構膠接結構缺陷類型及試塊》 的要求。筆者采用以下4種方法制作人工缺陷。

(1) 貼膜法：在織物層中放置厚度約為0.4 mm的聚四氟乙烯膜。

(2) 插拔鋼片法：在織物層邊緣放置不銹鋼刀片，成型后拔出，使邊緣形成類似分層的空氣隙。為了在碳纖維層壓板成型后方便拔出鋼片，將鋼片制作成梯形，鋼片厚度為0.1 mm，材料為不銹鋼，牌號為0Cr18Ni9。由于只能在碳纖維層壓板邊緣制作插拔鋼片模擬缺陷，故在考慮制作成本等因素的情況下，模擬缺陷試塊與貼膜法試塊同時制作，即在同一塊碳纖維層壓板上制作兩種缺陷，層壓板邊緣使用插拔鋼片法制作人工缺陷，層壓板中間區域使用貼膜法制作人工缺陷。

(3) 脫模劑法：共制作兩種試塊，第一種為在特定織物層上涂抹脫模劑，第二種為去除兩層織物之間的膠層，在缺陷上涂抹脫模劑。脫模劑牌號同為Loctite Frekote 55NC。

(4) 脫模膏法：在特定織物層上涂抹油脂狀脫模膏。

試塊中有φ4,φ7,φ8,φ10,φ12,φ15,φ17 mm等不同尺寸的人工缺陷。缺陷深度包括1，1.5,2，3，4 mm。對比試塊設計參數如表1所示，各對比試塊尺寸如圖2所示。

圖2 各對比試塊尺寸示意

表1 對比試塊設計參數 mm

3 檢測結果及分析

采用型號為MZ-03的超聲C掃描系統對試塊進行水浸超聲檢測。為獲得較好的檢測效果，選用聚焦探頭，頻率為15 MHz，焦距為152.4 mm。主要檢測參數有：聲速為2 719 m·s-1，脈沖重復頻率為1 200 Hz，掃查速度為100 mm·s-1，掃查步進為1 mm。各試塊的C掃描檢測結果如圖3-8所示。

圖3 貼膜法-1#試塊超聲C掃描結果

圖4 貼膜法-2#試塊超聲C掃描結果

圖5 脫模劑法-1#試塊超聲C掃描結果

圖6 脫模劑法-2#試塊超聲C掃描結果

圖7 脫模劑法-3#試塊超聲C掃描結果

圖8 脫模膏法-1#試塊超聲C掃描結果

對人工缺陷的埋深及尺寸進行測量，采用6 dB法分別測得掃查方向及步進方向的測量值，取其平均值作為人工缺陷的測量尺寸。對插拔鋼片法制作的缺陷進行測量時，僅采用掃查方向的測量值作為人工缺陷測量尺寸。各試塊的檢測數據如表2所示。

表2 各試塊的檢測數據 mm

從水浸超聲檢測結果可以看出：① 對于貼膜法及插拔鋼片法制作的試塊，各人工缺陷均能有效檢出，人工缺陷測量尺寸及埋深與設計尺寸及埋深較為一致，并有較好的信噪比；② 對于脫模劑法制作的試塊，在特定織物層上涂抹脫模劑方法制作的人工缺陷均未檢出；去除兩層織物之間的膠層并在缺陷上涂抹脫模劑方法制作的人工缺陷能有效檢出，但信噪比較差，實際埋深與理論埋深較為一致，人工缺陷測量尺寸與設計尺寸偏差較大；③ 對于脫模膏法制作的試塊，各人工缺陷均能有效檢出，人工缺陷測量尺寸及埋深與設計尺寸及埋深較為一致，但信噪比欠佳。

4 結語

(1) 對采用貼膜法及插拔鋼片法制作的人工缺陷試塊進行水浸超聲檢測，能有效檢出試塊中不同埋深及大小的人工缺陷，可得到較好的信噪比，同時能夠準確定量人工缺陷的大小及埋深。

(2) 對采用脫模劑法及脫模膏法制作的對比試塊進行水浸超聲檢測，檢測效果較差。