復合材料蜂窩結構超聲和太赫茲檢測對比分析

摘 要 為了研究不同無損檢測技術對復合材料蜂窩結構中脫粘缺陷的可檢性和檢測精度，本文針對復合材料蜂窩結構進行了多種無損檢測技術的檢測試驗和結果分析。主要采用穿透超聲檢測技術、穿透空氣耦合超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術，對設計、制備的含有不同尺寸、不同分布位置的預制脫粘缺陷的檢測對比試樣進行了檢測試驗，對預制脫粘缺陷的可檢性和檢出缺陷尺寸進行了分析。分析結果表明，穿透超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術能夠有效檢出復合材料蜂窩結構中的脫粘缺陷，并且太赫茲檢測技術具有較高的檢測精度；穿透空氣耦合超聲檢測技術無法有效檢出復合材料蜂窩結構中的脫粘缺陷。

關鍵詞 復合材料；蜂窩結構；超聲；太赫茲；脫粘缺陷

Comparative Analysis of Ultrasonic and Terahertz Testing

Methods for Composite Honeycomb Structure

FU Tianhang1， WANG Wengui1， YANG Liu1， LIU Songping1， 2， BAI Jinpeng1，

CHEN Tiezheng1， WANG Chunmei HAN Liheng1

（1.AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 100024;

2. AVIC Composite Corporation LTD.， Beijing 101300）

ABSTRACT In order to study the detectability and detection accuracy of different nondestructive testing techniques for the debonding defects in the composite honeycomb structure， the detection tests and results analysis of various nondestructive testing techniques were carried out for the composite honeycomb structure. Through ultrasonic testing method， through air coupling ultrasonic testing method， reflection terahertz testing method and reflection ultrasonic phased array testing method were used to carry out detection tests on the designed and prepared test samples containing different sizes and different distribution locations of prefabricated debonding defects. The detectability of prefabricated debonding defects and the size of detected defects were analyzed. The analysis results show that the debonding defects in the composite honeycomb structure can be detected effectively by the through ultrasonic testing method， reflection terahertz testing method and reflection ultrasonic phased array testing method. Reflection terahertz testing method has higher detection accuracy than through ultrasonic testing method and reflection ultrasonic phased array testing method. The through air coupling ultrasonic testing method can not effectively detect the debonding defects in the composite honeycomb structure.

KEYWORDS composites; honeycomb structure; ultrasonic; terahertz; debonding defects

1 引言

復合材料由于高比強度和比模量、優異的加工工藝性和可設計性等特點而被廣泛應用于航空航天、交通運輸、電子電器和體育用品等各領域［1-2］。在航空領域，復合材料有利于飛機結構的輕質化性能的提高，是民用飛機的主要組成材料之一［3-4］。在眾多復合材料結構中，復合材料蜂窩結構是航空、航天領域重要的結構形式［5-7］。復合材料蜂窩結構具有重量輕、隔熱、透波性能好等優點，飛機雷達罩、垂直尾翼、水平尾翼、客艙地板、貨倉地板等都可采用復合材料蜂窩結構制造［8-10］。復合材料蜂窩結構的主體是一種“三明治”結構，由蒙皮、蜂窩芯材和膠膜三部分組成，其中蒙皮材料主要有碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等，蜂窩芯材主要有鋁合金和芳綸紙等［11-12］。復合材料蜂窩結構由于其復雜的制備工藝及結構特點，容易在制造和服役過程中產生缺陷。復合材料蜂窩結構中主要的缺陷類型有蒙皮分層、蒙皮夾雜、蒙皮與蜂窩芯材脫粘、蜂窩芯材與膠膜脫粘、蜂窩芯材壓縮等13-14］。這些缺陷會降低復合材料蜂窩結構的硬度和抗疲勞性，進而影響整個部件結構的安全性，威脅飛行安全［15-16］。因此需要針對復合材料蜂窩結構進行100 %無損檢測，并且具有重要的意義［17-18］。

目前，針對復合材料蜂窩結構，主要采用的檢測技術有超聲檢測技術［19］、紅外檢測技術［20］和X射線檢測技術［21］。超聲檢測技術根據材料和缺陷的聲阻抗差異，對復合材料蜂窩結構進行缺陷檢測。楊思乾等［22］用超聲透射法對復合材料蜂窩夾芯構件進行了檢測試驗，分析了在檢測過程中板波傳播的基本特點，并對檢測部位進行了解剖驗證。試驗發現當膠膜分布不均勻或產生脫粘現象時，會使透射的超聲信號幅值降低，據此規律可對復合材料蜂窩構件的膠接質量進行無損檢測。董方旭等［23］通過采用空氣耦合超聲檢測方法對含模擬缺陷的蒙皮蜂窩夾芯復合材料進行了檢測，驗證了空氣耦合超聲檢測技術是評價蒙皮蜂窩夾芯復合材料的可靠性無損檢測手段。紅外檢測技術基于紅外輻射原理，利用紅外熱像儀掃描記錄被測物體的表面熱輻射情況，并根據測得的被測物體表面熱圖，進而來判別結構內部是否有缺陷［24］。何銀行等［25］利用紅外鎖相熱成像技術對不同蒙皮材料、不同蒙皮厚度的蜂窩夾層結構的脫粘類缺陷進行了測試，結果表明該技術對脫粘類缺陷具有較高的識別能力。射線檢測技術利用射線穿過物體時能量產生的衰減，在膠片或數字接收器上產生具有不同灰度特征的影像，通過對分析影像檢測缺陷。張永民等［26］分析了復合材料蜂窩結構中常見缺陷的射線檢測影像特征。面向復合材料蜂窩結構的無損檢測技術，主要難點是針對膠膜與蜂窩之間的脫粘缺陷。為了研究不同無損檢測技術對復合材料蜂窩結構中脫粘缺陷的可檢性和檢測精度，本文分別采用穿透超聲檢測技術、穿透空氣耦合超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術，針對設計、制備的含有不同尺寸、不同分布特征的預制缺陷的復合材料蜂窩結構檢測對比試樣進行檢測試驗。通過對檢測結果的定量分析，對比不同無損檢測技術對復合材料蜂窩結構中不同分布位置脫粘缺陷的檢測與評估能力。

2 試驗條件

2.1 試驗對象

本項研究設計了1種復合材料蜂窩結構檢測對比試樣，模擬脫粘缺陷。檢測對比試樣的蒙皮材料為SW280玻纖預浸料，蜂窩材料為高密度芳綸紙。檢測對比試樣的尺寸為170 mm×140 mm×13 mm，檢測對比試樣的上蒙皮厚度為1.6 mm，下蒙皮厚度為0.8 mm，蜂窩厚度為10.4 mm。

在檢測對比試樣上共計預制12處脫粘缺陷如圖1所示。其中在上蒙皮一側預制6處缺陷F1-F6，在下蒙皮一側預制6處缺陷F7-F12。預制缺陷F1、F4、F7和F10尺寸為10 mm×10 mm，F2、F5、F8和F11尺寸為10 mm×5.5 mm，F3、F6、F9和F12尺寸為6 mm×5 mm。F1-F3位于上蒙皮與膠膜之間，F4-F6位于蒙皮板膠膜與蜂窩芯材之間，F7-F9位于下蒙皮與膠膜之間，F10-F12位于下蒙皮膠膜與蜂窩芯材之間。制備的檢測對比試樣如圖2所示。

2.2 試驗設備

穿透超聲檢測采用MUI-31噴水超聲檢測系統，有效檢測面積2000 mm×1500 mm。超聲換能器頻率為5 MHz，噴嘴直徑為6 mm。

穿透空氣耦合超聲檢測采用MUI-31A空氣耦合超聲檢測系統，有效檢測面積2000 mm×1500 mm。超聲換能器頻率為200 KHz。

反射太赫茲檢測采用TK-LINE-TM-S太赫茲檢測系統，有效檢測面積400 mm×400 mm。太赫茲頻率為4.5 THz。

反射超聲相控陣檢測采用DPPA-32水浸檢測系統，有效檢測面積400 mm×400 mm。相控陣超聲換能器為32晶元，頻率為5 MHz。

3 試驗結果及分析

3.1 穿透超聲檢測結果與分析

采用穿透超聲檢測技術的檢測結果如圖3所示，能清晰的看到12處顏色異常區域F1-F12。通過與圖1中預制缺陷F1-F12的分布位置進行對比，發現圖3中顏色異常區域F1-F12的位置與檢測對比試樣中預制脫粘缺陷F1-F12的分布位置基本一致。因此可以確定圖3中顏色異常區域F1-F12為檢測對比試樣中的預制脫粘缺陷F1-F12。上述分析結果表明穿透超聲檢測技術能夠有效檢測出復合材料蜂窩結構中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

為了更好的評估穿透超聲檢測技術的檢測精度，對圖2中檢出的缺陷的尺寸進行了測量，測量結果如表1所示。表1中“長度”為缺陷水平方向的長度，“寬度”為缺陷垂直方向的長度，“長度偏差”為缺陷水平方向與設計值的偏差，“寬度偏差”為缺陷垂直方向與設計值的偏差。

從表1中可看出，長度偏差最大為1.5 mm，寬度偏差最大為1.4 mm，長度偏差比例最大為22 %，寬度偏差比例最大為23 %。偏差比例均在設計值的25 %之內，表明脫粘缺陷穿透超聲檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較好。

3.2 穿透空氣耦合超聲檢測結果與分析

采用穿透空氣耦合超聲檢測技術的檢測結果如圖4所示。從圖4中無法看到圖2中明顯的顏色異常區域。表明穿透空氣耦合超聲檢測技術無法有效檢測出復合材料蜂窩結構中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

3.3 反射太赫茲檢測結果與分析

采用太赫茲檢測技術的檢測結果如圖5所示。其中，圖5（a）為上蒙皮的反射太赫茲檢測結果，圖5（b）為下蒙皮的反射太赫茲檢測結果。從圖5中能清晰的看到12處顏色異常區域F1-F12。通過與圖1中預制缺陷F1-F12的分布位置和圖3穿透超聲檢測結果進行對比，發現圖5中顏色異常區域F1-F12的位置與檢測對比試樣中預制脫粘缺陷F1-F12的分布位置基本一致。因此可以確定圖5中顏色異常區域F1-F12為檢測對比試樣中的預制脫粘缺陷F1-F12。表明反射太赫茲檢測技術能夠有效檢測出復合材料蜂窩結構中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

為了更好的評估反射太赫茲檢測技術的檢測精度，對圖5中檢出的缺陷的尺寸進行了測量，測量結果見表2。從表2中的數據可以看出，長度偏差最大為1.0 mm，寬度偏差最大為0.5 mm，長度偏差比例最大為18 %，寬度偏差比例最大為8 %。偏差比例均在設計值的25 %之內，表明脫粘缺陷反射太赫茲檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較好。

3.4 反射超聲相控陣檢測結果與分析

采用反射超聲相控陣檢測技術的檢測結果如圖6所示。其中，圖6（a）為上蒙皮的反射超聲相控陣檢測結果，圖6（b）為下蒙皮的反射超聲相控陣檢測結果。從圖6中能清晰的看到12處顏色異常區域F1-F12。通過與圖1中預制缺陷F1-F12的分布位置和圖3、圖5的檢測結果進行對比，發現圖6中顏色異常區域F1-F12的位置與檢測對比試樣中預制脫粘缺陷F1-F12的分布位置基本一致。因此可以確定圖6中顏色異常區域F1-F12為檢測對比試樣中的預制脫粘缺陷F1-F12。表明反射超聲相控陣檢測技術能夠有效檢測出復合材料蜂窩結構中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

為了更好的評估反射超聲相控陣檢測技術的檢測精度，對圖6中檢出的缺陷的尺寸進行了測量，測量結果見表3。從表3中的數據可以看出，長度偏差最大為2.9 mm，寬度偏差最大為1.9 mm，長度偏差比例最大為53 %，寬度偏差比例最大為21 %。偏差比例超過設計值的25 %，表明脫粘缺陷反射超聲相控陣檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較差。

3 結語

（1）針對復合材料蜂窩結構中的脫粘缺陷，穿透超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術能夠有效檢出蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷，但穿透空氣耦合超聲檢測技術無法有效檢出蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷；

（2）穿透超聲檢測技術由于其檢測原理的局限性，僅能檢出脫粘缺陷，但無法確定檢出缺陷位于上蒙皮、下蒙皮，以及蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面；

（3）反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術由于分別檢測上蒙皮膠接區域和下蒙皮膠接區域，因此可分辨檢出缺陷位于上蒙皮和下蒙皮，但無法確定脫粘缺陷位于蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面；

（4）根據檢出缺陷尺寸測量數據，可以確定太赫茲檢測技術具有更高的檢測精度，能夠更加準確的反應脫粘缺陷尺寸，并且由于太赫茲檢測技術無需耦合劑，相比于穿透超聲檢測技術具有更好的應用條件。

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