碳纖維復合材料孔洞損傷超聲波C掃描無損檢測

方周倩，苗沛源，金肖克，祝成炎,2，田 偉,2

(1.浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院)，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310018)

碳纖維復合材料(CFRP)是指以碳纖維作為增強相、樹脂作為基體通過熱壓或真空灌注等加工方式得到的復合材料[1]，其具有優良的耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等性能[2]，同時，因其輕質高強的特性被廣泛應用于航空航天、軍工、運動器材等眾多領域[3]，但在復合材料的加工成形過程中，由于制備工藝的復雜性及環境控制等一系列不確定因素，材料容易出現孔洞、分層、夾雜等缺陷，在服役過程中，因為受拉伸力、沖擊力等影響，在材料內部很可能出現不可見損傷。這些缺陷影響了材料的質量和使用過程的安全性[4-6]，但若在不確定損傷存在情況下貿然替換材料會導致經濟成本增加；因此，采取非破壞的手段對材料內部進行檢測，對確定材料的可靠性、提高材料的安全性、降低成本十分必要。

超聲波C掃描成像檢測技術是一種將超聲檢測與微機控制和微機進行數據采集、存儲、處理、圖像顯示集合在一起的技術[7]，能夠給出圖像化的檢測結果，可直觀顯示被檢測工件在某一深度范圍內的缺陷信息，使缺陷的定量、定性、定位更加準確，減少了缺陷檢測不準確、遺漏等情況的發生[8-9]。周正干等[10]利用激光超聲C掃描檢測CFRP鉆孔試樣，表明該技術能夠應用于鉆孔分層檢測問題；魏瑩瑩等[11]提出了基于高頻超聲掃描顯微鏡分析CFRP加工孔的分層缺陷，結果顯示該測試手段可表征分層特征；程志義等[12]利用C掃描圖像對釬焊接頭尺寸的實際測量值與超聲檢測值進行了對比研究，研究表明二者的絕對誤差不大于0.11 mm；Santos等[13]使用不同方法評估了復合材料層壓板經低速沖擊后的超聲掃描圖像，并與空氣耦合系統獲得的圖像進行了比較，結果顯示不同的方法都能檢測到缺陷，但空氣耦合超聲波受頻率限制，空間分辨率低，而水浸掃查可忽略由于空氣導致的聲學損失問題；呂明等[14]采用自動化水浸式超聲波檢測系統對鋁合金鑄造缺陷進行準確定位，但未對缺陷尺寸大小進行研究。

綜上所述，超聲波C掃描成像檢測技術在紡織復合材料、鍛件、焊接接頭等檢測上均有所涉及，在CFRP孔洞損傷檢測方面主要對制孔工藝導致的分層缺陷進行了特征分析，關于孔洞缺陷定量檢測分析及其圖像特征研究較少，因此，本文利用該技術對CFRP不同大小孔洞及分層缺陷檢測圖像做了進一步研究，探究了孔洞邊緣對缺陷圖像顯示的影響、缺陷檢測面積與實際面積的關系及存在差異的原因，對該技術的優化和在復合材料無損檢測方面的進一步應用提供參考。

1 超聲波C掃描成像檢測技術原理

超聲波C掃描成像檢測技術是指利用脈沖發生器將電脈沖轉變成機械振動，機械振動信號進入試件，經歷反射、折射等損耗后再由數字轉換器進行數據采集，最終實現多種復雜信號的處理和成像的技術[15]。由于聲波穿過聲阻抗不同的介質會發生不同程度的反射或折射，能量會衰減[16]，反射波形也會發生相應的變化，因此該技術可根據能量幅值和反射波形的變化來分析評定缺陷。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

材料：厚度0.15 mm的T300預浸料(二上一下斜紋組織，織物經緯密均為49 根/(10 cm)，威海光威復合材料股份有限公司；環氧樹脂AB膠，上海奧屯化工科技有限責任公司。

試樣制備：由6 層T300織物預浸料和環氧樹脂AB膠通過(0°/90°)模壓成型工藝復合加工制得的碳纖維復合材料板(昌盛碳纖維制品廠)，該板材的纖維質量分數約為95.6%。將該復合材料板加工成孔洞試件，試件尺寸為300 mm×200 mm×1 mm，孔洞分布如圖1所示，圖中Φ為孔洞直徑。

注：數值單位為mm。

儀器：Ultrapac型超聲水浸掃查系統(美國物理聲學公司)，JSM-5610型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)，頻率分別為1 MHz和10 MHz的平直型和聚焦型探頭(OLYMPUS有限公司)，金剛石帶鋸精密切磨系統(德國EXAKT公司)，VB-715型數控機床(杭州友佳精密機械有限公司)。

2.2 CFRP孔洞缺陷檢測

首先利用制孔工藝按圖1所示的孔洞圖紙加工試件，然后使用超聲水浸掃查系統和1 MHz平直型探頭、10 MHz聚焦型探頭分別對試件進行穿透法和反射法的超聲波C掃描。接著利用掃描電子顯微鏡觀察孔洞邊緣的分層缺陷情況，最后對掃描照片、數據及電鏡照片進行分析。

本文檢測掃描參數分別為：模擬量到數字量的轉化(A/D)延遲為31.5 μs，A/D增益為6.5 dB，A/D寬度為11.5 μs，采樣率為100 MHz，同步門檻為55.3，門檻寬度為5.653 μs，門檻開始為35.453 μs。

3 結果分析

3.1 CFRP孔洞試件穿透法檢測圖像分析

圖2示出穿透法得到的CFRP孔洞試件C掃描圖，圖中0%～100%指的是能量幅值。

圖2 CFRP孔洞試件C掃描圖

由圖2可知，該系統可檢測出直徑為2～12 mm的孔洞缺陷，而且可看到孔洞缺陷圖像呈現同心圓狀，這是由于超聲波掃描過程中，超聲波波束受到孔洞邊緣影響從而發生反射、折射等現象，使得能量下降明顯，圖像顏色呈藍綠色。當孔洞直徑大于 9 mm 時，掃描圖像中心開始出現橙色和紅色區域，能量明顯上升，說明孔洞直徑大于9 mm時，孔洞邊緣對缺陷中心的影響降低直至消失，圖像同心圓中紅色區域即代表能量幅值為100%，如圖2(b)所示。主要原因是由于平直型探頭的波束寬度小于孔徑大小，發射探頭所發射的波束可直接穿過孔洞被接收探頭接收，能量未發生損耗。

3.2 CFRP孔洞缺陷聚類分析

為更好地評價缺陷檢測面積與實際面積的關系，本文進一步對掃描圖像進行了聚類分析，分區域對圖像中直徑為2、4、6、8、10和12 mm的缺陷尺寸進行了聚類統計，并對該直徑范圍內的孔洞缺陷檢測面積與實際面積進行多項式擬合，可得到擬合方程式：y=5.77x2+0.096x-0.69，其中：R2=0.998，x為缺陷的檢測面積，y為缺陷的實際面積。

圖3示出不同直徑的孔洞經超聲波掃描后得到的缺陷檢測面積與實際面積的統計圖。

圖3 CFRP孔洞缺陷檢測面積與實際面積統計圖

由圖3可看出，不同直徑孔洞經超聲波檢測得到的缺陷面積明顯不同，隨著孔洞直徑的增大，缺陷的檢測面積也變大，二者存在倍數關系。分析擬合方程式和圖3可知，孔洞缺陷的檢測面積與實際面積之間存在差異，孔洞直徑越小，二者間差異越大，隨著直徑的增大，該差異逐漸變小，這是由于孔洞邊緣的存在使得超聲波在接近邊緣時能量就發生衰減，且孔洞直徑越小，邊緣效應對其影響越大。結果表明，在使用頻率為 1 MHz 平直型探頭掃描時，由于波束寬度的存在，會使缺陷檢測面積比實際面積大，隨著孔洞直徑的增大，波束透過率增大，二者差距減小。

3.3 CFRP分層缺陷反射法檢測波形圖分析

圖4、5分別示出超聲波C掃描反射法得到的無缺陷情況時的波形圖和有分層缺陷情況時的波形圖。圖4(a)、5(a)分別為試樣無缺陷處和有缺陷處取樣點圖(分別為A、B點)，圖4(b)、5(b)分別為A、B點處試樣顯示的波形情況。

圖4 無缺陷情況時的波形圖

圖5 有分層缺陷情況時的波形圖

對比分析圖4、5可知，當沒有缺陷存在時，低波高度達到65%左右，而當孔洞邊緣存在缺陷時，由于探頭發射超聲波，檢測到表面波后，受缺陷的影響波束散射嚴重，使射達底面的聲能減少，此時低波高度下降至20%以下，相較沒有缺陷時，該底波高度下降明顯。孔洞邊緣存在缺陷是因為碳纖維復合材料屬于層合材料，在制孔過程中，由于受到鉆頭向下的作用力，導致纖維層發生分離，從而產生了分層缺陷。結果顯示，鉆孔工藝會使碳纖維復合材料孔洞邊緣產生分層缺陷，且超聲波C掃描成像檢測技術能夠檢測出孔洞邊緣的分層缺陷。

3.4 CFRP分層缺陷掃描電鏡照片分析

圖6示出CFRP孔洞截面的掃描電照片。觀察圖6(a)可發現，孔洞邊緣存在斷斷續續的分層現象，增加放大倍數觀察，可看到分層部分的纖維層被拉起，碳纖維復合板中間出現了空氣層，如圖6(b)、(c)、(d)所示。掃描電鏡結果與超聲波C掃描檢測結果吻合，驗證了制孔工藝使原本致密的碳纖維復合材料出現層與層脫離現象，進一步證明了超聲波C掃描檢測技術能夠檢測分層缺陷。

圖6 CFRP孔洞截面的掃描電鏡照片

3 結 論

本文利用超聲波C掃描成像檢測技術，對直徑為2～12 mm 的CFRP孔洞缺陷進行無損檢測，取得了如下結論。

1)超聲波C掃描成像檢測技術能夠準確檢測出直徑為2～12 mm的CFRP孔洞缺陷，不同孔徑的孔洞缺陷呈現出的圖像效果不同，且在該直徑范圍內，孔洞缺陷的檢測面積與實際面積呈倍數關系，其關系式為：y=5.77x2+0.096x-0.69，R2=0.998。這是由于波束寬度的存在，隨著孔洞直徑增大，波束透過率變大，能量損耗減小，缺陷的檢測面積與實際面積的差距也減小。

2)鉆孔工藝會對碳纖維復合材料孔洞邊緣產生分層缺陷，利用超聲波C掃描成像檢測技術能有效檢測出碳纖維復合材料板的分層缺陷。