史俊偉，劉松平，程文禮

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于比強(qiáng)度高、質(zhì)輕、隔音、隔熱等優(yōu)良性能特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如雷達(dá)罩、夾芯壁板、夾芯墻、儲(chǔ)油箱、安定面、蜂窩舵面等部位［1－2］。同時(shí)，制備工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求、應(yīng)用環(huán)境等復(fù)雜因素均會(huì)使復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在制造和服役過程中形成缺陷，需要針對(duì)其苛刻的檢測(cè)要求研究專門的無(wú)損檢測(cè)方法和缺陷可視化表征技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的超聲成像檢測(cè)。

目前主機(jī)廠及一些航空研究單位針對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)多采用噴水超聲穿透法，但實(shí)際檢測(cè)中噴水速度、噴水距離和噴水角度等工藝參數(shù)均對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響［3］，北京航空材料研究院劉穎韜等人將紅外線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中人工缺陷的檢測(cè)試驗(yàn)，取得了較好的檢測(cè)效果［4］。筆者主要針對(duì)共固化工藝復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的脫黏類型缺陷，選取接觸式超聲反射檢測(cè)為主要技術(shù)方法，采用超聲A－掃、B－掃和C－掃等多信息方法來(lái)表征復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及其脫黏缺陷，并用金相結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

共固化復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)檢測(cè)試驗(yàn)件，如圖1（a）所示。該試樣尺寸為650mm×570mm，上下蒙皮厚度均為0.5 mm，蒙皮材料為T700／LT－03A，各4層。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料為NRH 芳綸紙蜂窩，蜂窩格邊長(zhǎng)為2mm，蜂窩壁厚為0.05mm，采用共固化工藝方式，即蒙皮面板與蜂窩膠接同時(shí)固化成型，通過厚度為0.15mm 的膠層與上下蒙皮黏接，如圖1（c）所示。要特別指出的是，由于采用共固化工藝，由外壓水平分力與芯材內(nèi)壓等因素的作用，蜂窩芯材四邊向其中間部位形成塌陷變形（Core Crush），如圖1（b）所示。

圖1 共固化復(fù)合材料蜂窩夾層檢測(cè)試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)及尺寸

1.2 檢測(cè)特征

根據(jù)復(fù)合材料蜂窩檢測(cè)試樣的結(jié)構(gòu)特征與成型工藝以及檢測(cè)要求，分析該復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和檢測(cè)難點(diǎn)，具體如表1所示。

表1 復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和檢測(cè)難點(diǎn)

2 試驗(yàn)方法

2.1 超聲A－Scan檢測(cè)方法

基于水膜耦合的超聲反射法，結(jié)合人工掃查方式對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行全覆蓋超聲AScan檢測(cè)，記錄典型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的超聲A－Scan典型特征波形。試驗(yàn)裝置為FCC－D 復(fù)合材料超聲檢測(cè)儀；換能器為聚焦超聲換能器（5MHz）；耦合條件為水膜耦合。

2.2 超聲C－Scan檢測(cè)方法

采用水浸耦合的C－Scan成像檢測(cè)方法，設(shè)置相應(yīng)的成像閘門與掃描參數(shù)，對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行成像檢測(cè)，記錄典型結(jié)構(gòu)的成像表征規(guī)律和可能存在缺陷類型的成像特征。試驗(yàn)裝置為CUS－21復(fù)合材料超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)；換能器為聚焦超聲換能器（5 MHz）；耦合條件為水浸耦合。

2.3 超聲B－Scan檢測(cè)方法

采用水浸耦合方式，對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣沿厚度方向進(jìn)行成像檢測(cè)，記錄蜂窩夾層結(jié)構(gòu)沿厚度方向的檢測(cè)程序結(jié)果并進(jìn)行分析。試驗(yàn)裝置為CUS－21復(fù)合材料超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)；換能器為聚焦超聲換能器（5 MHz）；耦合條件為水浸耦合。

3 典型的試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 超聲A－Scan檢測(cè)結(jié)果與分析

圖2為針對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣的典型超聲A－Scan檢測(cè)結(jié)果，采用人工掃查方式，針對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的四處特征區(qū)域，如圖2（a）所示。

區(qū)域①為換能器位于蜂窩壁正上方，由于沒有反射界面的存在，入射聲波沿蜂窩壁一直向下傳遞，故圖2（b）中只有界波信號(hào)“F”而沒有回波信號(hào)出現(xiàn)，另外由于蜂窩壁壁寬較窄（0.05mm），隨換能器的掃查移動(dòng)，該特征波形經(jīng)過蜂窩壁正上方的時(shí)域延續(xù)很短暫，該特征波形往往稍縱即逝。區(qū)域②為換能器位于蜂窩格正上方，入射聲波經(jīng)過蒙皮與膠層在膠層與空氣的界面處反射，故圖2（c）中出現(xiàn)高峰值的反射回波信號(hào)“B”以及其二次回波信號(hào)“B2”。區(qū)域③為換能器位于膠層的“膠瘤”區(qū)域正上方，由于膠層與空氣形成的反射界面與入射聲波方向角度關(guān)系復(fù)雜且通常不垂直，入射聲波在該界面形成的反射回波不能回到換能器，故通常沒有反射回波信號(hào)出現(xiàn)，另一方面，膠層的聲學(xué)特征類似于富脂，而富脂的超聲A－Scan特征波形往往呈現(xiàn)“W”型規(guī)律，如圖2（d）中圓圈標(biāo)示。對(duì)比圖2中的（c）、（d）、（e），區(qū)域②與區(qū)域④由于反射界面的存在，故可以觀察到反射界面（區(qū)域②中為膠層與空氣界面，區(qū)域③中為復(fù)合材料蒙皮與空氣界面）的二次回波信號(hào)，而區(qū)域③中類似富脂的膠層，由于“膠瘤”現(xiàn)象造成實(shí)際工藝下膠層狀態(tài)復(fù)雜，通常不存在二次回波信號(hào)。區(qū)域④為復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的脫黏類型缺陷，脫黏類型缺陷會(huì)使層壓板與蜂窩壁的界面之間出現(xiàn)氣隙，入射聲波會(huì)在該界面形成反射回波信號(hào)，相比區(qū)域②中的回波信號(hào)“B”，脫黏缺陷回波信號(hào)“D”在時(shí)域上與界波“F”的距離SD略小于底面回波信號(hào)“B”與界波“F”的距離SB，兩者的距離差為膠層的厚度。

圖2所示的典型區(qū)域特征A－Scan波形相對(duì)比較明顯，但在實(shí)際檢測(cè)中，由于復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)幅值、網(wǎng)格尺寸較小數(shù)量大且存在“膠瘤”現(xiàn)象引起的膠層狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)區(qū)域②③④的A－Scan波形往往分辨難度較大，通過觀察圖2分析可知，蜂窩網(wǎng)格A－Scan檢測(cè)波形特征的判據(jù)因素包括：一次回波是否存在、一次回波幅值、二次回波是否存在、回波波形特征、時(shí)域位置等。因而在人工手動(dòng)進(jìn)行超聲A－Scan檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)難度大，缺陷表征、記錄以及傳遞不方便，且容易造成漏檢。

圖2 典型的超聲A－Scan檢測(cè)波形

3.2 超聲C－Scan成像檢測(cè)結(jié)果與分析

首先采用接觸式超聲C－Scan成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的預(yù)制人工缺陷進(jìn)行成像檢測(cè)，檢測(cè)試樣預(yù)埋單層厚度為0.1mm 的聚四氟乙烯薄膜模擬脫黏缺陷，直徑分別為φ3 mm、φ5mm和φ9mm，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，其預(yù)制的人工缺陷及蜂窩格結(jié)構(gòu)清晰可見，這說明所采用的接觸式超聲C－Scan成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的檢測(cè)能力。

圖3 預(yù)制人工缺陷的超聲成像檢測(cè)結(jié)果

人工缺陷與實(shí)際缺陷存在的差別會(huì)造成缺陷識(shí)別困難，此時(shí)結(jié)合A－Scan波形采用不同的成像閘門進(jìn)行多次成像檢測(cè)。圖4為采用水浸耦合超聲C－Scan檢測(cè)的典型成像結(jié)果，成像閘門設(shè)置分別如圖4（a），（b）所示。圖4（c）設(shè)置成像閘門對(duì)蜂窩與復(fù)合材料蒙皮的膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行C－Scan 成像，圖4（d）設(shè)置成像閘門對(duì)蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行C－Scan成像。圖4（d）中灰度高的區(qū)域?yàn)榉涓C網(wǎng)格內(nèi)部，灰度低的區(qū)域?yàn)榉涓C壁及蜂窩壁旁的“膠瘤”部分。

由3.1節(jié)中對(duì)于超聲A－Scan波形信號(hào)的分析，對(duì)蜂窩網(wǎng)格進(jìn)行C－Scan成像，因?yàn)槟z層回波與“膠瘤”區(qū)域波形出現(xiàn)的時(shí)域位置與蜂窩網(wǎng)格一次回波的時(shí)域位置相近，在蜂窩網(wǎng)格一次回波的時(shí)域位置設(shè)置成像閘門容易受到膠層回波與“膠瘤”區(qū)域波形的干擾，影響成像質(zhì)量；另一方面，由于類富脂的膠層區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)二次回波，故設(shè)置成像閘門以二次回波的峰值的時(shí)域位置進(jìn)行成像效果較好。

圖4 典型的超聲C－Scan檢測(cè)結(jié)果

為得到良好的可視化效果，針對(duì)超聲C－Scan二維成像檢測(cè)結(jié)果（局部）進(jìn)行數(shù)值處理形成3D 成像，如圖5所示。由3D 后處理結(jié)果可以較清晰的看到蜂窩網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)分布，橢圓線所示區(qū)域疑似蜂窩脫黏。對(duì)疑似蜂窩脫黏區(qū)域進(jìn)行金相取樣在100倍光學(xué)金相觀察驗(yàn)證分析，同時(shí)對(duì)比良好區(qū)域的金相圖像，好區(qū)結(jié)果如圖6（a）所示，疑似脫黏區(qū)域結(jié)果如圖6（b）所示。

圖5 蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)超聲C－Scan成像3D 后處理結(jié)果

圖6 蜂窩不同區(qū)域微觀形貌對(duì)比

3.3 超聲B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果與分析

圖7水浸耦合超聲B－Scan檢測(cè)的典型成像結(jié)果，掃描6次，掃描路徑由圖中虛線所示①～⑥，由超聲B－Scan檢測(cè)結(jié)果中的灰度分布可以清晰的看到蜂窩網(wǎng)格的成像規(guī)律。同時(shí)，由于掃描路徑與蜂窩格排列方向存在一定夾角，當(dāng)換能器位于蜂窩格上方移動(dòng)，如路徑①的A 段，則成像結(jié)果中出現(xiàn)蜂窩格的灰度圖像，當(dāng)換能器位于蜂窩壁上方移動(dòng)，如路徑④的B 段，則成像結(jié)果中不會(huì)出現(xiàn)蜂窩格的灰度圖像。由圖中可見，隨著設(shè)定一定的步進(jìn)量，對(duì)復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行超聲B－Scan進(jìn)行掃描檢測(cè)，可以得到復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣沿厚度方向的結(jié)構(gòu)分布特征。

圖8為聲B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果與A－Scan檢測(cè)波形的聯(lián)合分析，圖中“F”標(biāo)示出來(lái)自蜂窩蒙皮外側(cè)的界波所形成的灰度圖像，“B”與“B2”分別標(biāo)示出來(lái)自蜂窩格處的一次反射回波與二次反射回波所形成的灰度圖像。

由超聲B－Scan成像結(jié)果進(jìn)行厚度的計(jì)算分析，見公式（1）、（2）：

圖7 復(fù)合材料蜂窩網(wǎng)格超聲掃描B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果

圖8 掃描超聲B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果與分析

式中：S為由超聲B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果所計(jì)算得到的蒙皮與膠層的距離之和，即“F”與“B”之間的距離；v為聲速，蒙 皮材料為T700／LT－03A，測(cè)聲速v＝3 100m／s；t為渡越時(shí)間，即入射聲波進(jìn)入蒙皮，經(jīng)過蒙皮與膠層至蜂窩格處反射至換能器的時(shí)間，由B－Scan檢測(cè)圖像，取t＝0.44μs；S′為蒙皮與膠層的理論厚度；S1為蒙皮理論厚度，取S1＝0.50mm；S2為膠層理論厚度，取S2＝0.15mm。

由超聲B－Scan成像結(jié)果進(jìn)行蜂窩網(wǎng)格的計(jì)算分析，見公式（3）：

式中：I為由超聲B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果所計(jì)算得到的相鄰蜂窩格的間距；L為為減小誤差，測(cè)量連續(xù)10個(gè)相鄰蜂窩格的距離。

I′為相鄰蜂窩格的理論距離，I′為3.46mm。

由上述計(jì)算分析可見，由于實(shí)際工藝中膠層厚度會(huì)存在微小的變化造成實(shí)測(cè)值出現(xiàn)微小的偏差，采用超聲B－Scan 成像檢測(cè)結(jié)果所得到的厚度信息S（0.628mm）與實(shí)際理論厚度S′（0.65mm）基本一致，同時(shí)蜂窩網(wǎng)格間距計(jì)算值I＝3.4mm 與實(shí)際理論間距I′＝3.46mm 基本一致，超聲B－Scan成像檢測(cè)結(jié)果具有很高的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確的成像精度，可以定量的得到復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的信息。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）接觸式超聲反射檢測(cè)方法可以檢出復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的直徑為3、5、9mm 的脫黏類人工預(yù)制缺陷。

（2）對(duì)于復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的實(shí)際缺陷，應(yīng)用接觸式超聲反射檢測(cè)法建立可以相互印證的多維多信息的可視化表征，并通過金相驗(yàn)證了接觸式超聲反射檢測(cè)方法對(duì)于實(shí)際脫黏缺陷的檢測(cè)能力。

（3）該超聲檢測(cè)方法在復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的工藝研究、結(jié)構(gòu)制造和產(chǎn)品服役檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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