碳纖維復合材料分層缺陷的超聲相控陣檢測方法研究

朱濱海，王佳，付國，李怡琳，程夢婷

（1.南京航空航天大學，江蘇 南京 211106；2.成都國營錦江機器廠，四川 成都 610043）

在對碳纖維復合材料進行無損檢測時，通常會遇到各種各樣不同類型的問題。例如：（1）由于受到多種因素影響而導致其內部出現了一些不規則的孔洞；（2）當碳纖維復合材料中含有較多的雜質或是存在較為復雜的結構時，就很容易產生分層現象；（3）當碳纖維復合材料被應用到飛機上后，如果沒有及時發現其中存在的分層情況，也可能造成嚴重后果。而目前針對這種缺陷主要采用目視檢查或破壞性檢驗來進行檢測，但其存在效率低、成本高等缺點，因此迫切需要一種新的無損檢測方法來解決這一難題。近年來，出現了許多新型無損檢測方法，例如，超聲波C 掃描成像法、射線照相法、紅外熱像法以及聲發射檢測法等，都能夠實現對不同類型的缺陷進行有效的檢測與評價。

1 超聲相控陣檢測原理及探頭參數選取

1.1 超聲相控陣檢測原理

利用惠更斯原理，超聲波的形狀可以被描述為一系列的子波源，每個都會發出一系列的相關信號，這些信號會被傳播到彈性介質（試件）中，從而形成一種機械振動。而相控陣成像技術則是利用控制陣列換能器中每個陣元的激勵（或接收）脈沖的時間延遲來實現對圖像的檢測和分析。我們將通過實驗驗證該理論的正確性以及可行性。首先，需要選擇合適的聲束入射角θ0，使得聲波以一定角度進入待測區域；其次，還要確定一個合理的焦點位置X0，保證所發射出的所有波束能量集中于此點處，并且不至于發生散射現象。

1.2 探頭參數選取

在進行檢測前，首先，要對檢測對象和檢測要求有一個全面、深入的認識。通過分析可知，該檢測項目中需要用到的設備主要包括超聲波探傷儀(TOPDIA)、相控陣檢測儀等，而這些設備都是由不同類型的換能器組成的。因此，為了保證檢測結果準確可靠，就必須選擇合適的探頭參數。

目前，國內外學者針對復合材料分層缺陷的檢測已經做出了大量工作，并且也提出了很多有效的檢測方法。但是，每種檢測方法均存在一定的局限性，并不適用于所有情況。所以，在實際應用時，還應當結合具體問題來確定最佳的檢測方案。本文所采用的檢測方法屬于無損檢測范疇，故無須考慮檢測效率這一指標；同時，由于該項檢測涉及多個方面，如檢測精度、檢測速度以及成本等，因而不能僅憑某一標準或某單一因素進行判斷。基于此，本文主要從以下幾個方面對檢測方法進行分析和討論。

2 實驗裝置和試件部分

2.1 實驗裝置

該實驗使用了奧林巴斯Olympls MX2 相控陣檢測儀和一個線性陣列探頭，它的頻率為5MHz，陣元數量為64 個，陣元間的距離為0.6mm，陣元的長度為10mm。這個探頭被安裝在一個厚度為20mm 的零度楔塊SD3-N0L上，以減小近場效應。對于每種不同類型的缺陷，都可以通過改變掃查方式來實現。當用常規的縱波垂直入射時，就會形成沿著深度方向傳播的反射波；而當用橫波斜入射時，則會產生與之相反的情況。因此，只要將探頭移動到合適位置并且使其對準需要檢查的區域即可。由于超聲波具有很好的指向性，所以能夠非常容易地確定缺陷所在的具體位置以及大小。但是，如果想得到更加準確可靠的結果，還必須保證聲束足夠集中，這樣才能獲得較高質量的圖像。

2.2 實驗試件

為了驗證本文提出的相控陣檢測方法在實際應用中的可行性，選取某型號飛機上使用的碳纖維復合材料進行實驗研究。該類型的碳纖維復合材料由于其特殊性，需要對其內部結構進行詳細分析才能夠確定具體的分層情況，因此本次實驗采用無損檢測方式來完成。通過對該類型的復合材料內部不同位置的分層情況進行檢測，可以得到較準確的檢測結果，從而能夠更加全面地掌握該類復合材料的質量狀況，并且也有利于后續工作的開展。此外，針對該類型的碳纖維復合材料，還要選擇合適的檢測設備以及相應的檢測工藝參數等，以保證最終獲得的檢測數據具有較高的可靠度。為了使所設計的檢測方案能夠順利實施，首先，應當建立一個合理的實驗平臺，然后再利用相關的檢測儀器對其實施檢測操作。在這個過程中，主要是將超聲波換能器安裝到試塊上，同時使用螺栓固定住探頭，最后再把它們放到指定的檢測區域內。需要注意的是，在實際的檢測操作前，一定要提前做好準備工作，比如，對檢測對象進行清理、碳纖維不打磨和除銹等，這樣才能夠確保檢測效果符合要求。另外，在正式開始檢測前，也可以先進行預試驗，通過多次反復地調整來確定最佳的檢測位置以及檢測角度等，從而提高最終的檢測質量與效率。在完成這些準備工作后，就可以開展具體的檢測操作，并且還要保證每次都按照同樣的步驟來進行，以便更好地控制誤差問題。一般來說，如果檢測對象為碳纖維復合材料，那么就應該采用線掃描方式；但如果是金屬材料焊縫時，則最好還是扇掃描方式。一般情況下，在檢測時會采用相控陣技術來實現對碳纖維復合材料的檢測，但是由于該種技術具有很強的復雜性，所以要經過大量實踐經驗的積累，才可以獲得良好的應用效果。

2.3 實驗流程

通過零度線性聚焦法則，我們將從第一個晶片開始激活，并在第64 個晶片結束時進行電子掃描，每個陣元的聚焦深度為二毫米，并使用3000m/s 的縱波進行測量。當所有晶片都被激發后，對于每層的厚度，可以計算出其聲速，然后再用這種方式確定該區域內是否存在缺陷。如果發現了缺陷，那么就要繼續沿著垂直方向逐漸移動探頭來檢查缺陷的位置、大小以及形狀等信息。最后，還需要利用超聲波C 掃成像系統來進一步確認缺陷的具體情況。

在實際的操作過程中，首先，按照上述所提到的方法分別制備好含有不同類型缺陷的試樣；接著，把這些試樣放入專用的模具中，并且保證各個試塊表面上沒有任何多余的雜質；隨后，啟動超聲檢測儀器，開始對試樣進行掃描檢測；在完成一次完整的檢測過程后，便可以將探頭從試樣表面移開；最后，通過計算機軟件對檢測結果進行分析處理。此外，為了更加直觀地觀察超聲相控陣檢測技術應用于碳纖維復合材料分層缺陷時的效果，本文也制作了相應的對比試塊。其中，第一組試塊只存在一個孔隙缺陷，第二組則包括兩個相同的孔洞缺陷。需要注意的是，由于這兩組試塊都屬于同一種型號的碳纖維復合材料，因此它們具有一定程度上的相似性。具體的操作步驟如下所示：首先，利用超聲波無損檢測設備分別對上述兩種類型的試塊進行檢測，然后記錄相關數據；其次，在完成所有檢測工作后，再使用CT 掃描儀對試塊內部的情況進行檢查；再次，結合圖像處理技術以及數據分析技術等，對檢測過程中所出現的各種問題展開深入探究與討論。最后，針對發現的缺陷區域，可以借助相控陣超聲檢測系統中的掃查功能來實現進一步的定位，從而為后續工藝加工提供必要的參考依據。通過以上一系列的分析可知，該項技術不僅能夠有效解決傳統超聲檢測方式存在的不足，同時還能夠顯著提升最終的檢測效果。因此，這就要求操作人員要充分掌握相應的檢測技巧及知識點，并且嚴格按照相關標準規范來開展各項工作。此外，在實際應用過程中，也要注意以下幾點內容：首先，是合理選擇掃查位置、角度以及深度等參數信息；其次，就是應當選擇合適型號的探頭設備。除此以外，對于一些特殊情況下出現的分層現象來說，則更加適合采用相控陣超聲波檢測法。

3 結語

綜上所述，本次試驗采用了超聲相控陣技術對碳纖維復合材料進行無損傷檢測。首先，通過實驗確定出不同層數和厚度的試樣；然后，利用超聲相控陣技術分別在0、2 ～6mm 以及7 ～10mm 這3 個深度范圍內采集信號；最后，根據所獲取到的數據計算出各個層之間的相對誤差并以此來判斷該區域是否存在缺陷。

本文主要介紹了碳纖維復合材料分層缺陷的超聲相控陣檢測原理及具體操作步驟，但是實際上還有很多影響因素需要考慮，如探頭與被檢工件的距離、聲束入射角等都會直接影響最終的檢測結果。在以后的學習和實踐過程中，我們還會繼續對這些問題進行深入的探討，爭取使得本次研究所提出的相關理論更加完善。但是由于該方法只能檢測出表層的缺陷，而無法探測深層次的缺陷。因此，還需要進一步改進與完善相關的檢測工藝及方法。本文提出了一種新的檢測方法，即在同一塊碳纖維板上沿著長軸方向依次設置多個掃查點，這樣就使得整個檢測過程變得更加方便快捷。這對今后開展類似的無損檢測工作有一定的借鑒意義。此外，文中提到的檢測方案雖然簡單易行，但仍需不斷優化才能得到最佳結果。