碳纤维复合材料超声检测缺陷识别.pdf

材料工程 2023 年 第 4 期 化纤与纺织技术10碳纤维复合材料超声检测缺陷识别张洪毅1，张 博2，武明远31.河北德臻检测技术服务有限公司，河北 衡水 0530002.国家塔桅产品质量监督检验中心，河北 衡水 0530003.河北中天玻璃钢有限公司，河北 衡水 053000摘要：随着科技的发展，碳纤维复合材料已被广泛应用于航空航天、军工、电子等领域。然而，碳纤维复合物在生产和服役期间会产生各种各样的缺陷，这些缺陷会影响碳纤维复合材料构件，使相应的参数出现问题，如果情况比较严重，就会导致构件报废，从而产生一定的经济损失。对此，文章对碳纤维复合材料中各种缺陷的成因和识别方法进行深入的研究，以供参考。关键词：碳纤维复合材料；超声检测；缺陷识别分类号：TB332；TB553复合材料一般情况下是包括 2 种或者 2 种以上的材料，在生产过程中需要使用复杂的工艺，这种材料具备一定的性质，这些物质的形貌、化学特性和性质各不相同。它不仅克服了单种物质的缺陷，还保持了单种物质的大部分优点，另外，它还具有一些原始物质所没有的新特性定义。该复合材料应符合下列要求：每一种成分的含量都不低于 5%，其性能比每一种成分都要好得多。根据加强材料的不同，复合材料可分为玻璃纤维复合物、有机纤维复合物、碳纤维复合物，正处在研发阶段，并被用于重要部件；陶瓷纤维复合物尚在研究中，还有很多问题需要解决。当前，该材料已被广泛地应用于各个行业，其中包含了交通运输、航天航空行业等。1 碳纤维复合材料无损检测研究现状当前，在对碳纤维复合材料的缺陷进行检测时，可以更好地应用无损检测技术。在这些检测技术中，最为成熟并且使用最为广泛的几种探测技术是射线探测、涡流检测、超声波探测、红外热成像技术等。射线探测是根据 X 射线在介质中传输时能量的衰减程度来判定 X 射线的强度，在复合材料中，以体积形式的缺陷为主，比如孔隙、密度分布不均匀等，都能得到较好的检测效果。然而，该方法对层状缺陷（如脱层等）不够灵敏，且对某些特殊材料的检测缺乏统一的判断标准。涡流检测的原理是通过线圈产生交流磁场来实现的，它与缺陷处感应电流产生的磁场相互作用，使线圈阻抗和感应电压产生变化，从而检测出缺陷，在检测过程中能够实现快速、简单的操作，主要用于碳纤维复合材料构件表面、近表面裂纹、纤维断裂、层裂等缺陷，然而，由于电磁场的趋肤效应，涡流在层厚方向上会快速衰减，且探测深度受激振频率的限制，导致对深层缺陷的探测困难。红外热像技术是利用目标的热辐射特征，对目标完好区与目标缺陷区的红外辐射进行对比，从而实现对目标内部缺陷的检测，在具体应用过程中能够实现较快的检测速度，在操作过程中不需要直接接触，所得到的结果具备直观性，还可以实现大面积检测，能探测复合材料中的脱层、脱黏等缺陷。然而，受限于红外热像仪自身的限制，大深度区域的热像图边界模糊、分辨率不高。超声检测是以不同材料之间声学特性的差异为依据，导致超声波发生反射、能量衰减等现象，其灵敏度、速度等都比较高，并且不会对人体造成伤害。目前，世界上 70%80%的复合材料零件都是通过超声波进行无损检测的。基于超声在复合材料中的传播机理和信号变化规律，能够准确地检测出复合材料中的分层、气孔等缺陷1。此外，对碳纤维布（CFRP）类构件，目前，国际上已制定了一些行业标准，如ASTM E2580-17、HB7825-2007 等。2 超声检测缺陷定性研究超声波信号中蕴含丰富的组织结构信息，是对被检测材料内部缺陷状态进行识别与评价的关键。早在作者简介：张洪毅，男，本科，工程师，研究方向为复合材料检测、橡塑材料检测。文章编号：1672-500X（2023）04-0010-03化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 材料工程111980 年代就提出，不同类型的缺陷与其相应的回波信号有一定的对应关系，利用超声波回波信号中的一些特征，可以实现对各种缺陷的识别。对于碳纤维复合材料超声检测信号来说，结构噪声的存在导致了缺陷的很多信息被掩盖了下去，为了增强可利用的信号，往往需要对其进行截取、变换和分析，对超声信号进行时域、频域等分析。时域分析是一种利用滤波、相关分析等运算来处理信号的方法。时域信号中含有大量的振幅、相位和衰减等信息，对缺陷的识别起着至关重要的作用；频域分析就是利用傅里叶变换把信号从时间域转换到频率域，然后对其进行频率分布和相关性分析。常用的频域分析方法包括幅度谱、相位谱、倒频谱等，通过对其频率组成、频率分布等的分析，能够对材料中所存在的缺陷进行辨识和判定2；时频分析是一种能反映超声信号的局部频谱特性的分析方法，它能把时域信号描述为一种频率-时间关系。时频分析中最常见的方法有短时 Fourier 变换、小波包变换等。在对碳纤维复合材料的缺陷进行定性时，人们对孔隙缺陷进行了最多的研究，并获得了很好的效果，已有的研究多利用能量衰减、递推定量等方法对多孔缺陷进行鉴别。3 碳纤维复合材料常规检测方法3.1 射线检测技术在对被测物质内部情况进行探测时，可以采用射线检测技术。这是因为有缺陷的地方和没有缺陷的地方吸收光线的能力不同，通常来说，当光线穿过有瑕疵的地方时，瑕疵部分将会改变 X 射线在物体中的衰减，其辐射强度应比无缺陷位置高。当入射光强度相同时，透过光的强度与物质的厚度、物质的衰减系数等因素密切相关。射线探伤技术最早用于无损检测，后来，因为它对被检测材料的要求很低，并且在具体测试过程中整体的结果比较简单，能够实现长期保存，所以具有比较大的应用范围。在对复合材料、非金属材料进行检测时，各种技术能够发挥重要的作用；在对复合材料中的体积型缺陷进行检测时，能够实现良好的成像效果；在检测平面缺陷时，其不具备较大的能量波动，会出现分辨能力较差的情况，难以进行有效的检测。另外，由于射线检测涉及人员的人身安全，因此必须对操作人员进行特殊培训。3.2 微波检测技术在碳纤维复合材料常见的几种缺陷中，微波检测技术针对剥离和脱黏等缺陷具有较高的敏感性。另外，该系统的操作简便、直观。早在 1960 年代，美国就已经把微波探测技术运用于军事领域，对导弹零件进行探测，后来国内利用这种测试方法，发现了复合材料中的气孔缺陷。实验证明，利用微波检测技术可以实现对复合材料内部缺陷的有效检测，但这种方法只能对一些常见的如分层、剥落、气孔等进行有效的探测，适用于大范围的探测。4 碳纤维复合材料新型无损检测技术4.1 错位散斑干涉法错位散斑干涉法是一种新的、能够测定材料应力场的方法。使用该方法，可以对分层、脱黏等缺陷进行检测。散斑干涉法检测装置示意图如图 1 所示，其中，M1、M2 是一面反射棱镜，BS 是一面分光棱镜，而 CCD 是一台照相机，用于记录一条干涉条纹的信息。激光器向对象表面发射激光，入射的激光经 BS 分成两个路径：测量光束、参考光束，这两束激光被反射棱镜反射后，在 BS 中发生干涉，从而产生干涉条纹。在此过程中，如果应用错位散斑干涉法，那么能够对缺陷信息进行全面、有效的获取，并且有较高的探测效率，尤其适合于更复杂的结构。然而，它的抗干扰能力还有待提高。激光器被测物采集卡PCM1M2BSCCD图 1 散斑干涉法检测装置示意图4.2 热成像方法利用热像仪可以对金属材料、复合材料中的各种缺陷进行检测。其中，红外热像仪是一种极具潜力的无损检测手段，可对复合材料脱胶缺陷进行快速、准确地观测。一些学者使用了红外热图像检测方法，对玻璃钢与混凝土结构的黏合质量进行了检测，发现了一种新型的碳纤维基复合材料的细微裂缝，并采用了一种新的、有源的红外线热像仪，对这种新型碳纤维基材料的脱层缺陷也取得了很好的结果。然而，由于 材料工程 2023 年 第 4 期 化纤与纺织技术12目前没有对其进行有效的分析，还没有形成相应的操作规范，因此这类方法还没有得到实际的应用。4.3 超声检测方法利用超声波检测技术，可以对复合材料内部的各种缺陷进行检测，如分层、夹杂、裂纹等。另外，采用超声波探伤技术，也可以实现对板材厚度的测量。该方法具有穿透力强，在具体检测过程中具有较高的敏感性，整个操作过程比较简单方便。超声波探测的原理如图 2 所示，其中图 2（a）是将发送设备与接收设备置于相同的探头上，图 2（b）是将发送设备与接收设备分别置于不同的探头上。发射换能器接收换能器耦合剂耦合剂发射换能器接收换能器工件工件缺陷 缺陷 （a）发射与接收探头相同 （b）发射与接收探头不同图 2 超声检测原理示意图目前，在一些发达国家在开展无损检测工作时，可以合理地应用超声波检测技术，其中，声波法、空偶超声法和激光超声法在检测方面的应用特别受到人们的重视。但是它仍然存在以下的局限性：对于具有复杂外形的物体或工件，其测量难度较大，对被测物体的表面质量有较高的要求；为了降低声波在大气中的衰减，还需添加一种耦合剂，使声波与介质间的耦合达到最大化。碳纤维复合材料为薄层状结构，其板厚通常为 5 mm，声波在其内部传播时，会导致反射信号受噪声干扰，难以分辨。4.4 超声相控阵技术随着相关技术的不断发展和进步，超声相控阵技术已经得到了很好的发展，起初是应用在医疗领域，目前已经扩大到了其他的领域。欧美等发达国家早在20 世纪 90 年代就开始采用相控阵法进行无损检测，但其检测精度较低。超声相控阵技术能够改变声波到达物体中某点的相位关系，在此过程中主要是有效地控制了超声换能器发送、接收脉冲的时间。在此基础上，文章提出了一种基于相控阵的声学方法，并对声学方法进行了实验验证。在触发脉冲到达相位控制单元之后，通过延迟法则的计算输出脉冲序列来激励晶片，使晶圆向材料内部发射超声波，当声波遇到界面或者缺陷后，就会产生反射，由芯片内的接收传感器反馈到相位控制器，得到综合信号，并在 PC 机上进行显示3，如图 3 所示。触发脉冲晶片相位控制单元入射声束反射体（a）超声相控阵发射声波合成信号晶片相位控制单元反射声束反射体（b）被检测物体反射声波图 3 超声相控阵原理相对于其他常规超声波探伤方式，相控阵超声波探伤技术有以下优点：能够提高检测效率，检测的成本比较低，同时具备较强的适应性，一根相控阵探测器可以覆盖多个应用场合；电子组态可根据预先设定的档案，进行不同的参数调节，可进行多角度、多方位的扫描；探测器体积小，便于携带和使用，便于检测；可检测性好，可对声波束流等参数进行优化，从而提高了系统的信噪比和对缺陷的分辨能力4。5 结束语当今社会，随着科学技术的快速发展，碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛地应用在各个领域。在工业生产中，由于材料在长时间的使用过程中会产生一些肉眼无法看到的内部缺陷，这些缺陷一旦积累起来，就会给设备带来巨大的经济损失，严重时还会导致设备的安全事故。因此，对其内部缺陷进行快速、有效的检测具有重要意义。超声相控阵技术在应用过程中，针对声波有不同的反应，具备很强的衰减作用，因此，超声相控阵被认为是一种很有前景的无损检测方法，能够很好地促进相关行业的发展和进步。参考文献1 丁国强.基于超声相控阵技术的碳纤维复合材料无损检测与评估方法研究D.济南:山东大学,2022.2 付冬欣.碳纤维复合材料超声检测缺陷识别D.大连:大连理工大学,2022.3 方震东.碳纤维复合材料缺陷的超声成像检测技术研究D.徐州:中国矿业大学,2019.4 邓裕杰.碳纤维复合材料超声柃测信号递归分析研究D.杭州:浙江大学,2019.