復合材料層壓板沖擊損傷的無損檢測與評估

楊玉森，魏然

（1.中國航空制造技術研究院復合材料技術中心，北京 101300；2.中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

近年來，為了提高飛機的性能并降低成本，纖維增強聚合物基復合材料在航空領域得到越來越廣泛的關注，與傳統航空金屬零部件相比，纖維增強聚合物基復合材料具有比重小、比強度高和比模量大的特點，可大大減輕機身重量，同時纖維增強聚合物基復合材料加工周期短，尺寸穩定性好，具有較低的熱膨脹性能，良好的抗疲勞性能和斷裂性能[1]，飛機應用中的先進復合材料在近40年來從小到大，從弱到強，從少到多，從結構載荷到增加功能的發展方式，目前，先進復合材料已廣泛應用于飛機的垂直尾翼、水平尾翼、方向舵、副翼、前機身和機翼蒙皮等一級和二級結構中[2]。在商用飛機上應用也越來越多，波音787 和空客A350 復合材料占比達到50%。飛機在飛行中會受到各種結構和氣動載荷，這些載荷會對結構造成破壞和削弱，以及在制造、維修和維護中不可避免產生低速沖擊損傷，如意外碰撞、工具掉落和冰雹等，低能撞擊會在復合材料內部造成復雜的基體開裂和分層，由于碳纖維樹脂基復合材料的材料性能和結構特性，產生的往往是目視不可見的內部損傷[3]，這種損傷會降低結構的剩余強度和耐久性，可能導致結構失效并危及飛機的飛行安全[4]。

復合材料的沖擊損傷是由不同的斷裂模式組成的，典型的沖擊損傷包括基體開裂、纖維基體脫粘和纖維斷裂，尤其是由于層間剪切強度相對較低而產生的內部分層[5]，這些斷裂模式結合在一起形成相當復雜的三維結構[6]，由于沖擊損傷的復雜性，要對沖擊損傷進行完整的評估，通常需要一種以上的方法，沖擊損傷的檢測評估有許多方法，如超聲法、紅外法、X 射線法及振動檢測等。本文采用超聲反射法及X 射線法對熱壓固化成型的碳纖維增強樹脂基復合材料的沖擊試樣進行了無損評估。

1 試驗材料和沖擊試驗

復合材料層壓板原材料為碳纖維增強環氧樹脂預浸料，試樣采用手工鋪疊，熱壓罐高溫固化成型，4 塊試樣外形尺寸為150 mm×100 mm×3.2 mm，單向碳纖維預浸帶鋪層順序相同，皆垂直于長度方向。沖擊試驗設備品牌型號為INSTON CEAST9340 落錘式沖擊試驗機，使用質量為5.5 kg、直徑16 mm 的半球形光滑沖頭，試樣夾具為圓形夾具，夾具內徑為78 mm，外徑110 mm，對4 塊試樣中心位置進行沖擊試驗，4 塊試樣的沖擊能量分別為3 J、6 J、9 J 和12 J。

2 X 射線檢測

X 射線檢測技術是利用射線穿透物體后的衰減特性獲取物體影像的非接觸性檢測。X 射線檢測技術的檢測結果直觀、可靠，還可以定性地描述材料的密度分布和定量地測量材料的密度值，其原理是被測物體各部分的厚度或密度因缺陷的存在而有所不同，當X 射線在穿透被檢物時，射線被吸收的程度也將不同。對4 塊檢測試樣進行了X 射線檢測，其檢測結果如圖1所示。

圖1 沖擊試樣X 射線檢測圖

從檢測結果中可以看出，3 J 沖擊能量下試樣X 射線檢測結果未見損傷缺陷，表明3 J 能量下并未達到復合材料試樣損傷門閥值[6]，低于該門閥值不會發生損傷；而在6 J 能量沖擊下，試樣出現裂紋，裂紋長度70 mm左右，目視檢測下此試樣外觀完好，并未發現裂紋缺陷，但實際已出現不可見斷裂損傷，裂紋方向垂直于長度方向；沖擊能量9 J 時，可以看到一條明顯橫貫整個試樣寬度的裂紋，裂紋方向垂直于長度方向，裂紋寬度較6 J 沖擊能量下裂紋寬度增大；當沖擊能量增加至12 J 時，可見多處裂紋，裂紋方向與前述一致。從X 射線檢測結果可知，6 J 沖擊能量下開始出現損傷，X 射線可以對裂紋缺陷進行檢測，但并未發現其他缺陷，因分層缺陷在厚度方向上并未產生厚度或密度差異，故傳統X 射線檢測方法并不能有效地檢測出分層缺陷，為了觀察X 射線照片上的分層，必須在受損區域注入X 射線不透明的滲透劑。

3 超聲脈沖反射法檢測

采用自主研制的高分辨率超聲檢測設備[7]檢測。超聲波檢測（Ultrasonic Testing，UT），也叫超聲檢測，是一種基于材料（如聚合物復合材料）對入射聲波彈性響應的聲學檢測方法，超聲檢測由于其靈活性和可定性定量揭示分層或裂紋等內部缺陷的能力，故超聲檢測是目前復合材料無損檢測技術的熱點和焦點方向，根據不同應用，超聲檢測使用的頻率覆蓋20 kHz 到1 GHz，大多數工業無損檢測使用的頻率在0.5 MHz 到10 MHz 之間。超聲檢測方法有多種分類方式，按波型可分為體積波（縱波和橫波）法、表面波（或瑞利波）法及導波（如板中的蘭姆波）法，其中縱波法應用最為廣泛和成熟；按檢測原理可分為反射法、穿透法和背散射法等；按顯示和成像方式可分為A-掃描、B-掃描和C-掃描[8-9]，目前在復合材料檢測實際工程應用中，超聲脈沖反射法A-掃描應用最為廣泛。圖2中的①為超聲信號傳播示意圖，其典型波形圖如圖3（a）所示，X 軸方向為信號的傳播時間（Time of flight，TOF），Y 軸方向為信號強度，其中F 為來自入射面表面的反射回波信號，即界波，B 為來自下表面界面的反射回波信號，即底波，B1為二次反射信號波。當試樣內部存在缺陷時，如圖2中的②為分層缺陷，當超聲波信號遇到缺陷界面時，信號無法繼續向試樣內部傳播而發生反射，此時典型波形圖如圖3（b）所示，其中D 為缺陷波反射信號，D1為二次回波信號。

圖2 超聲A-掃描超聲信號傳播示意圖

圖3 典型超聲-A 顯示信號

當超聲換能器沿著某一方向直線移動時，超聲檢測系統會收集這條直線上的所有超聲波反射信號，并以灰度圖像顯示出來，即為超聲-B 掃描。超聲-B 掃描能夠反映所檢測試樣直線位置的橫截面信息。

當超聲脈沖反射法檢測系統使用計算機控制機械傳動機構使超聲換能器（探頭）在試樣上縱橫交替掃查時，超聲換能器探測收集試樣特定平面范圍的全部超聲波反射信號，為了方便觀察和辨識，采用電子閘門只獲取X 軸方向某一時間段的超聲波信號，通常閘門設置在底波反射信號位置，結合超聲換能器的位置信號，最后以灰度的形式連續顯示出來，這樣就可以繪制出試樣檢測區域的平面檢測圖像，這種檢測方法稱之為超聲C-掃描。超聲C-掃描可以顯示出試樣某一平面（垂直于超聲波信號傳播方向）區域的信息，故超聲C-掃描結合超聲B-掃描能夠較為全面地檢測評估出試樣的內部質量。

采用水浸式超聲檢測方法，超聲換能器和檢測工件全部或部分浸沒到水中，水作為超聲耦合劑，由于采用非接觸方式，有效地改善了復合材料構件表面不規則或凸起部位對探頭耦合狀況的影響，檢測時，試樣內部存在缺陷，C-掃描顯示圖像顏色較深，試樣內部不存在缺陷，信號接收較好，則C-掃描圖像顏色較淺，試驗內部缺陷能夠被較為直觀地觀察出來。

4 結果和討論

圖4依次為不同沖擊能量下的超聲C-掃描圖，圖4（a）為復合材料3 J 沖擊能量下的超聲C-掃描圖，在3 J沖擊能量下，超聲C-掃描未發現沖擊缺陷，表明在此沖擊能量下材料內部結構完好。圖4（b）為復合材料6 J 沖擊能量下的超聲C-掃描圖，從圖中可以看出，沖擊能量達到缺陷閾值，在沖擊位置產生2 條線狀裂紋缺陷，方向垂直于長度方向，其中一條線狀缺陷由上邊緣達到下邊緣，上部分裂紋較小，下部分裂紋較大，另一條線狀缺陷位于中心位置，由此表明在6 J 沖擊能量下復合材料破壞形式以基體斷裂為主，未發現分層等其他缺陷類型；在目視檢查6 J 能量下復合材料并未發現缺陷，在X 射線檢測結果中也發現6 J 能量下只能觀察到1 條細微裂紋，表明超聲C-掃描能夠較為有效準確地發現試樣內部缺陷信息。圖4（c）為9 J 沖擊能量下的超聲C-掃描圖像，圖中可以看出中間一條較為明顯的斷裂裂紋，裂紋方向垂直于試樣長度方向，且在9 J 沖擊能量下，在裂紋兩側開始出現分層缺陷，此時分層在沖擊中心位置沿X 軸方向尺寸最大，距離為16 mm，分層區域長度方向與裂紋方向一致，隨著分層向裂紋方向延伸，分層區域X 軸方向尺寸逐漸減小，Y軸方向長度為82 mm，此時沖擊破壞形式以基體斷裂及分層為主。當沖擊能量增大到12 J 時，其超聲C-掃描圖像如圖4（d）所示，從圖中可以看出在12 J 沖擊能力下出現更多的裂紋，與12 J 沖擊后試樣X 射線檢測結果一致，此時分層缺陷與9 J 沖擊能量下類似，其X軸方向最大尺寸為18 mm，Y 軸方向長度為82 mm，與9 J 沖擊能量下相比，分層區域面積并沒有顯著增加，沖擊能量主要以基體斷裂的形式吸收消耗，此時沖擊破壞形式依舊以基體斷裂及分層為主。

圖4 不同沖擊能量下的超聲-C 掃描圖

對4 塊沖擊后試樣在沖擊中心位置沿X 軸方向進行超聲-B 掃描檢測，其檢測結果如圖5所示。圖5（a）為復合材料3 J 沖擊能量下的超聲B-掃描圖，在3 J 沖擊能量下中心位置沒有發現任何缺陷，但從在沖擊中心位置的B 掃描圖像中可以觀察出上表面及下表面略向下彎曲，中心位置較兩端平面向下位移垂直距離8 mm，此時試樣雖未產生缺陷，但沖擊已使試樣發生塑性變形。圖5（b）為復合材料6 J 沖擊能量下的超聲B-掃描圖，隨著沖擊能量增加至6 J，試樣的彎曲程度增加，中心位置較兩端平面向下垂直位移距離16 mm，同時在試樣下表面產生裂紋，表明底層的裂紋是由彎曲應力引起的，在6 J 沖擊能量下主要以塑性變形的形式吸收。圖5（c）為9 J 沖擊能量下超聲B-掃描圖，在沖擊點位置上表面產生凹陷坑，但與上述結果不同的是，此時試樣上下表面并未產生明顯地向下彎曲的現象，表明塑性變形量較小，能量主要以基體斷裂和分層的形式吸收，在9 J沖擊能量下產生分層缺陷，由于基體裂紋、相鄰層間剛度失配、層間聚集和層間撓度引起層間剪切應力，產生的層間剪切應力致使試樣分層[10]，其分層內分布形式結果與相關文獻[11-13]報道一致，隨著沖擊波向下表面延伸并擴展，呈現喇叭形或錐形。當沖擊能量達到12 J時，其超聲B-掃描圖如圖5（d）所示，沖擊位置凹陷坑深度增大，可觀察到上表面略向下彎曲，其原因是檢測時在試樣兩端下方存在墊塊，而中間處于懸浮狀態，沖擊能量使試樣結構嚴重破壞，由于試樣自重而產生下彎現象，此時分層分布形式與9 J 沖擊能量下試樣類似。

圖5 不同沖擊能量下的超聲-B 掃描圖

由以上可以看出沖擊能量小于6 J 時，沖擊能量主要以塑性變形吸收消耗，當沖擊能量大于6 J 時，彎曲應力作用下產生基體裂紋，沖擊能量達到9 J 時出現分層缺陷，隨著沖擊能量增大到12 J，分層區域面積幾乎不變，裂紋數量增加，此時，沖擊能量通過基體斷裂形式吸收消耗能量，因試樣鋪層順序相同，致使復合材料的層間剪切強度相對較高，故沖擊損傷主要以基體斷裂形式存在，且裂紋方向與鋪層順序相同。

5 結論

目視檢測只能觀測試樣表面缺陷，傳統X 射線檢能夠對較為明顯的裂紋缺陷進行檢測，但對分層缺陷無法達到檢出效果。

超聲脈沖反射檢測方法能夠較為有效地檢測出試樣的內部缺陷：通過超聲C-掃描成像方法，可以清晰地檢測出試樣某一平面（垂直于超聲波信號傳播方向）區域的缺陷分布及擴展情況，通過超聲B-掃描檢測可以檢測出試樣某一位置橫截面內部缺陷信息，也可再現沖擊損傷在復合材料層壓結構試樣內部不同斷面方向的分布、擴展過程、損傷特征及量化信息。

沖擊能量小于6 J 時，沖擊能量主要以試樣塑性變形吸收消耗，當沖擊能量大于6 J 時，彎曲應力作用下產生基體裂紋，沖擊能量達到9 J 時出現分層缺陷，分層擴展方向與裂紋方向一致，沖擊能量增大到12 J 時，分層區域面積幾乎不變，能量以裂紋數量增加吸收消耗，沖擊損傷主要以基體斷裂形式存在，且裂紋方向與鋪層順序相同。