绝对干货 先进树脂基复合材料无损检测全解

树脂基复合材料由于具有高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优点，已发展成为航空航天结构的基本材料。...

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树脂基复合材料常见缺陷



复合材料的微观构造是一个复杂的多相体系，因其组份的多样性和各向异性，以及制造过程中工艺的不稳定性，决定了不论是在材料的工艺研究阶段，还是在构件设计制造阶段和服役使用阶段，极易产生缺陷或损伤[1]。在复合材料制作和固化过程中往往存在很多人为因素和工艺质量的不稳定性，这使得复合材料构件的质量具有一定的随机性，因此缺陷的存在是不可避免的。另外，在使用过程中同样会产生缺陷，不同能量的外来物对结构表面撞击产生的损伤，复合材料对冲击损伤较为敏感，如飞鸟撞击、跑道石块撞击、工具脱落等都有可能造成复合材料损伤[2]。图1给出了复合材料常见的一些缺陷，这些缺陷和损伤往往在材料表面毫无目视易见的痕迹，而在材料内部却出现纤维断裂、分层、脱粘等缺陷和损伤，大大降低构件的承载能力，成为重大工程事故的隐患[3]缺陷。表1给出了复合材料常见缺陷及产生原因。

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树脂基复合材料无损检测方法



无损检测的目的和任务就是采用合理有效的方法、技术和检测手段，及时准确地发现和检测出材料内部的缺陷和损伤，从而为进一步评价材料、结构的可靠性奠定基础。研究结果表明，复合材料在正常使用情况下不会发生突然断裂，材料的失效通常都是由缺陷损伤积累引起的，因此迫切需要采用先进的无损检测技术对复合材料的制造和服役过程中的内部质量状况进行客观、准确和可靠的表征和评估，提高复合材料构件的安全可靠性[4]。

目前，针对复合材料常用的无损检测方法主要有目视法、超声波法、X射线法、光学法、微波法和声发射法等。目视法主要用于检测复合材料表面肉眼能够观测到的缺陷，对于复合材料内部的缺陷无法识别，受人为因素影响很大且检测分辨力有限；X射线法[5]检测具有成像速度快、检测效率高、检测结果便于保存等特点，但对检测环境要求很高，射线对人体有害且对复合材料内的分层缺陷不敏感等缺点；光学法[6]可以检测出在试样加载条件下引起温度变化或表面变形的缺陷，但对内部缺陷和结构性能不敏感，而且要面对加载不均匀、检测环境要求高等问题；声发射法主要应用于复合材料承力结构构件的无损检测，对裂纹缺陷的检测和定位灵敏度较高，但是定位精度有限。而超声波法检测的特点是灵敏度高、对人体无害且易于实现自动化，因此在复合材料无损检测当中用得最为普遍[7]。

在复合材料工件形状检测方面，针对简单形廓工件的超声自动检测比较容易实现，如平面、圆柱等规则变化的形状；但对于复杂曲面、变厚度复合材料工件来说，由于超声波具有很强的指向性，为了获得较好的透射波或回波信号，保证超声检测结果的有效性，必须要求超声波入射方法和曲面工件外表面法向方向保持一致[8]。目前使用的方法是手动方式不断调整探头位姿，通过肉眼观察超声波形判断入射声束是否对正工件，这种方法存在很多问题，特别是对于水浸式超声测量，水的折射会导致视觉误差，难以控制声束实际对正的点与目标点之间的位置误差，往往需要调整探头很多次才能对正，工程应用表明手动方式进行采样存在不同操作者的测量精度不一、劳动强度大、效率低、对正精度低等问题。对大型复合材料构件，若采用手工超声A扫描的检测方式则检测效率较低且易漏检，而且检测结果不易保存。因此，对大型复合材料构件必须采用自动化超声检测设备进行缺陷检测[9]。

国外在复合材料超声检测方面开展了大量研究工作，实现多项新技术的应用。目前，波音公司已将相控阵超声技术用于复杂型面构件的快速检测，实现特殊部位的全覆盖扫描；空客公司已使用空气耦合超声技术检测蜂窝夹芯构件，检测过程中不再使用超声耦合剂；洛克希德·马丁和空客公司已采用先进的激光超声系统对大型复杂型面部件进行快速、自动检测；达索公司已将激光超声系统用于在役飞机的现（外）场检测。

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超声波检测



超声波检测是利用超声波在固体中的传播特性(反射、折射、透射、衰减等)，对工业材料及其制品进行无损检测的技术。将压电换能器发出的超声波通过耦合剂(油、水或其他耦合剂)传入被检物体，在缺陷或界面处便产生反射和透射，以回波形式返回或以穿透波形式被接收，由于信号强度能反映出波的吸收、散射和反射在部件好的部位与损坏部位有显著不同，便可判断其内部的缺陷(分层、孔洞、夹杂物等)，它可检测复合材料的分层、脱粘、气孔、裂缝、冲击损伤等缺陷，且缺陷的定性定量准确。相比其他无损检测技术，超声检测具有技术相对成熟、检测灵敏度高、对人体无害和易于实现自动化扫描成像检测等突出优点。

根据缺陷的显示方式及显示内容分类，又可分为A、B、C三种类型，又称为A扫描、B扫描、C扫描。其中以A型显示最为广泛，B型和C型显示是在A型显示的基础上进行的。A型脉冲反射式超声波探伤仪的工作过程如图2，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路，扫描电路受触发开始工作，产生锯齿波扫描电压，加至示波管水平偏转板，使电子束发生水平偏转，在荧光屏上产生一条水平扫描线。

与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生反射，返回探头时，又被压电晶片转变为电信号，经接收电路放大和检波，加至示波器垂直偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的位置上产生缺陷波和底波。根据缺陷波的位置可以确定缺陷的埋藏深度，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷当量的大小[10]。

超声C扫描系统是在A型显示的基础上进行的，C型显示（见图3）系统中有一个电子深度门，经接收电路放大后的回波，只有落在门范围之内的才会在荧光屏上显示形成亮点，亮点在荧光屏上的位置与探头在工件上的位置一一对应。当探头按照一定形式对工件表面进行扫查时，荧光屏上就可以得到工件界面视图以及工件内部缺陷信息。目前C型显示不仅能显示缺陷的长度和宽度，而且能用不同颜色来表示埋藏深度和回波幅度[11]。在复合材料无损检测中，超声波检测是应用最广泛的方法之一，表2给出了复合材料常用的超声检测技术及其技术特点[12]。

在上述超声检测技术中，英国伦敦大学帝国理工学院的Cawley P.等研究了超声兰姆波在板状结构内的传播，提出了用其检测大型复合材料层压板内直径10-20mm分层缺陷的方法，该方法可以快速、可靠地检测出这类缺陷[13]。法国波尔多大学的M. Castaings等利用空气耦合超声无损检测技术在单侧布置发射和接收换能器，检测了碳纤维复合材料板内的分层缺陷，测量结果与基于有限元模型的数值预测进行比较，得到良好的一致性[14]。

超声C扫描检测技术具有自动化程度高，检测速度快，检测结果直观可靠，尤其重要的是超声C扫描具有良好的穿透性，对分层、脱粘类的缺陷具有较高的灵敏度和可靠性，可以帮助我们获得构件内部缺陷、损伤的最大量的信息，例如：缺陷的位置分布、形状和大小等，而且定量、定性、定位准确，检测结果便于永久保存，以上诸多优点使其成为当前发展最快的技术之一，并已成为飞行器零部件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。

浙江大学王艳颖等人，采用仿形测量和重建模型的方法实现对构件曲面的跟踪和灵敏度的实时补偿，提高了对大型非对称复合材料构件超声C扫描检测的精度和效率[15]。刘松平等人介绍了一种基于超声传播时域特性的深度方向超声C扫描成像检测技术，一次扫描可以同时获取被检测材料结构内部若干层的扫描检测图像[16]。吴瑞明等人针对复合材料声图像缺陷识别的可靠性，对复合材料缺陷类别与缺陷模式识别进行了分析，讨论了通过仿形测量和重建模型的方法实现复合材料超声C扫描的一般过程[17]。

另外多轴机械系统的设计使复杂曲面的复合材料构件的检查变为现实，随着复合材料用量、规模的不断扩大，低成本，高性能、长寿命、高可靠性设计思想的提出，复合材料的自动化检测技术已变得日益重要，目前超声检测是复合材料自动化检测中最为重要的检测技术。

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复杂构件的超声检测



复合材料L型构件是常用的飞机构件类型，其R过渡区受应力集中作用，在制造和使用过程中容易产生缺陷。但是，由于R区呈弧面且空间小，常规超声技术无法对其进行全范围检测。相控阵超声技术是解决此类问题的有效途径。基于线阵换能器的复合材料L型构件R区相控阵超声检测原理如图5所示（其中m/2、m/2+1表示阵元序列，N表示阵元个数，L表示探头边距）

基于费马原理的延迟时间算法此处省略，感兴趣的小伙伴可以自行学习哦。

L型构件R过渡区全覆盖扫描

以碳纤维增强树脂基复合材料L型构件为试样，厚度4mm、R区半径5mm。试样中含有沿R区圆周方向长11mm、宽8mm、埋深2mm的预置缺陷。基于线阵换能器，通过控制阵元发收延迟时间对R过渡区进行全范围扫描检测（图6）。图7为R区缺陷位置处第10阵列孔径的A型和S型图，可以观测到R区表面、缺陷、底面的超声回波以及各界面的相对位置。通过图7（a）中缺陷回波时间计算出缺陷埋深约1.91mm，与实际值相对误差约4.50%。

图8为L型构件的超声C扫描图像，横向采用基于位置编码器的机械扫描，扫描分辨率1.0mm；纵向采用基于阵列孔径偏转、聚焦的电子扫描，扫描分辨率0.29mm。图8中可以观测到L型构件R区缺陷的形貌、位置和尺寸特征，验证了相控阵超声技术用于此类结构检测的可行性[18]。

激光超声技术

激光超声技术以激光激发和接收超声波，具有无损伤、不用声耦合剂、高精度、高效率的特点，可以检测CFRP的孔隙、紧固孔分层，适合快速检测型面复杂的大型部件，并且可以现场应用。

激光超声检测技术利用激光激发和接收超声波来检测材料和构件中的缺陷，该技术是解决大型复杂结构快速、现场检测问题的途径。该技术以脉冲激光在材料中激发超声波，基于光学仪器对声波进行非接触式的测量，检测过程中不使用超声耦合剂，并且可以达到很高的空间分辨力。激光可以在不垂直结构表面的条件下远距离激发、接收超声波。因此，激光超声技术适合快速检测型面复杂的大型部件，也可以现场应用。激光超声检测系统原理如图9所示。CFRP孔隙缺陷的激光超声检测

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是飞机上大量使用的复合材料类型。部分CFRP结构型面复杂，目前广泛使用的常规超声技术在型面适用性、缺陷检出率和效率上存在问题，激光超声技术是解决此类问题的途径[18]。

针对含有预埋缺陷CFRP试样（图10）的激光超声C扫描图像如图11所示，其中缺陷处声波幅度衰减约17dB，缺陷形态及其分布特征清晰可辨，验证了激光超声技术用于CFRP复合材料孔隙缺陷检测的可行性。CFRP紧固孔分层的激光超声检测

飞机复合材料结构在装配过程中因钻孔产生的紧固孔分层将严重影响结构安全。目前，现场检测中普遍使用的便携超声仪在紧固孔周围的空间分辨力较低，漏检率和误判率高，激光超声技术是解决此类问题的途径。针对CFRP复合材料钻孔试样（图12）的激光超声C扫描图如图13所示，其中紧固孔周围分层的形态和分布特征清晰可辨，穿透法和脉冲反射法的图像差异与分层深度位置有关，脉冲反射法难以检出近表面的分层缺陷。研究结果可以初步验证激光超声技术用于紧固孔分层检测的可行性。

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