孫楷 尤彧瑞

廣東省汕頭市超聲儀器研究所有限公司 廣東汕頭 515041

摘要：隨著復合材料的廣泛應用，特別是在航空航天領域的大量應用，開發(fā)便攜式、應用于復合材料大面積快速掃查的檢測技術就顯得很有必要。超聲檢測作為一項比較成熟的檢測技術，其衍生的各種檢測新技術開始應用于復合材料的檢測，有效地解決了復合材料的一些檢測難題。對于復合材料來說，超聲檢測主要應用于對服役構件的在役檢測，以及對復合材料的性能無損表征。文章主要分析了復合材料構件的超聲無損檢測關鍵技術及其應用。

關鍵詞：復合材料；超聲；無損檢測；關鍵技術

引言

復合材料（Composite materials）是由兩種及兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。在復合材料的超聲檢測應用方面，相控陣超聲檢測技術可以有效檢測出層壓板分層及夾雜缺陷，碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件、帶涂層以及不帶涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件等蜂窩復合材料的內部脫粘缺陷，對復合材料的拐角（R區(qū)）等特殊部位也能很好地進行檢測。復合材料的超聲C掃描檢測通常采用多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)，對復合材料進行噴水穿透法、噴水脈沖反射法、水浸穿透法以及水浸脈沖反射法檢測，如采用噴水穿透法對層壓板和蜂窩結構粘接缺陷進行檢測可得到清晰的超聲C掃描圖像。多軸聯(lián)動超聲C掃描檢測系統(tǒng)雖然可以對某些復合材料進行有效檢測，但是受檢測工件和檢測場地的限制，不利于應用于在役飛機的快速掃查檢測上，因此，筆者開發(fā)了適用于復合材料的大面積快速C掃描檢測以及特殊位置的雙軸定位C掃描檢測系統(tǒng)。

1.復合材料構件的超聲無損檢測技術概述

復合材料之所以能得到廣泛的應用，除了其自身優(yōu)異的性能外，還得益于與復合材料密切相關的配套技術的同步研究和發(fā)展，而質量控制是設計要求得以滿足，產品質量得以保證的關鍵，其中無損檢測技術發(fā)揮了十分重要的推動作用。無損檢測的目的和任務就是采用合理有效的方法、技術和檢測手段，及時準確地發(fā)現(xiàn)和檢測出材料內部的缺陷和損傷，從而為進一步評價材料、結構的可靠性奠定基礎。研究結果表明，復合材料在正常使用情況下不會發(fā)生突然斷裂，材料的失效通常都是由缺陷損傷積累引起的，因此迫切需要采用先進的無損檢測技術對復合材料的制造和服役過程中的內部質量狀況進行客觀、準確和可靠的表征和評估，提高復合材料構件的安全可靠性。目前，針對復合材料常用的無損檢測方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學法、微波法和聲發(fā)射法等。

因此，要確保復合材料構件的安全可靠性，避免重大事故的發(fā)生，必須對其進行無損檢測，而超聲檢測是最有效的方法之一，對于大型復雜曲面復合材料構件的無損檢測，必須研制自動化檢測系統(tǒng)，才能實現(xiàn)快速、高效、高精度的檢測

2.復合材料構件的超聲無損檢測關鍵技術

2.1相控陣超聲檢測原理

（1）發(fā)射與接收。相控陣超聲的基本原理來源于相控陣雷達技術，相控陣超聲探頭由多個晶片按一定的規(guī)律分布排列，通常是線陣列，通過軟件可以單獨控制每個晶片的激發(fā)時間，從而控制發(fā)射超聲波束的形狀和方向，實現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉和聚焦。

（2）電子掃描。相控陣超聲具有獨特的波束掃描和聚焦特點，因此使用一個多陣元的相控陣探頭，在不移動探頭的情況下就可以實現(xiàn)工件斷面的掃描檢測。

（3）相控陣C掃描方式。采用相控陣電子掃描不需要移動探頭就可實現(xiàn)對工件一定寬度的斷面掃查，因此，對比于單晶探頭常規(guī)鋸齒形的掃查方式，相控陣掃查只需單軸直線掃查便可獲得工件的C掃描圖像。

2.2相控陣C掃描檢測系統(tǒng)

（1）滾輪探頭檢測系統(tǒng)。根據(jù)相控陣檢測原理，為實現(xiàn)復合材料的快速C掃描檢測，開發(fā)了適合檢測用途的滾輪探頭。滾輪探頭的結構為：相控陣探頭放置在一個密閉的套筒里，套筒兩端安裝有可旋轉的滑輪，套筒里面充滿水，相控陣探頭發(fā)出的超聲波經過水層后到達橡膠套，橡膠套采用與水聲阻抗接近的材料以使超聲波傳播時可透射更多的能量。滾輪探頭加裝一個高精度的位置編碼器進行定位和同步數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)檢測時一般采用水作為耦合劑，輕輕滾動探頭，C掃圖像即刻呈現(xiàn)，特別適合大面積復合材料的C掃描檢測。

（2）雙軸拉線編碼器檢測系統(tǒng)。拉線編碼器的底座根據(jù)材料不同可選擇真空、夾持或磁鐵吸附的安裝方式。檢測時將編碼器吸附在工件表面上，固定拆卸靈活方便，而且對工件表面無任何損傷，兩個拉線編碼器拉出的線匯聚于掃查探頭并固定于掃查夾具上。拉線編碼器的最高掃查精度為0.1mm/步，拉線最大長度為1.5m。以前的手動雙軸掃查器定位方式比較死板，探頭的移動不好操作，而這種定位方式很方便，探頭移動也比較靈活，在進行特定區(qū)域的C掃描檢測上具有較大的優(yōu)勢，可對缺陷進行完整的掃查、測量和評定。

3.復合材料構件的超聲無損檢測技術的應用

3.1 缺陷檢測

金屬零件內的缺陷超聲檢測方法同樣的適用于復合材料中缺陷評價，對于其內部的孔狀缺陷來說目前主要是利用超聲C掃描、相控陣超聲檢測、超聲導波檢測技術等。超聲C掃描是超聲檢測的一種顯示方式，它是在A信號的基礎上對信號進行處理，得到的一種垂直于缺陷的顯示結果，它具有顯示直觀，操作簡便，可以對缺陷進行定量分析等優(yōu)點，而且對孔狀缺陷的顯示比較清晰。國內有江蘇大學的魏勤利用超聲C掃描對SiC 顆粒增強鋁基復合材料試件進行研究，研究表明利用該方法能夠清晰的檢測到材料中的孔狀缺陷，并且能夠對材料中的團聚現(xiàn)象有一定的顯示。

然而超聲C檢測對于一些缺陷檢測精度要求更精確的復合材料來說還是顯得有一定的困難，而實際中對于一個工件的完全檢測也并不是一種超聲檢測方法能夠勝任的，通常對于一個工件的檢測常常應用幾種超聲檢測方法，有時也會應用其他的無損檢測手段，比如紅外熱成像檢測方法。相控陣超聲檢測是超聲檢測中比較先進的一種檢測手段，近年來，以其偏轉、聚焦的優(yōu)勢而廣泛的應用在常規(guī)超聲檢測不能夠完成的復雜構件中，而且針對超聲相控陣檢測還設計了專用的仿真檢測軟件，能夠在優(yōu)化實驗方案方面節(jié)省很大的費用，并且能夠更加的清楚聲波的傳播以及與缺陷的相互作用，使檢測更加的直觀。

3.2 性能評價

超聲波能夠對金屬零件的硬度、彈性模量、衰減性等進行評價，利用相同的方法超聲波可以對復合材料的這些性能進行評價，并且能夠對其孔隙率進行測量。對于復合材料來說孔隙率是其重要的一個性能參數(shù)，孔隙率過大會導致材料內部疏松，直接導致材料的力學性能下降。因此對孔隙率的檢測顯得十分重要。對于復合材料來說常用的孔隙率測定方法主要有超聲聲速法、超聲衰減法、微波法等，然而每一種方法并不是直接的給出孔隙率的大小，而是間接的獲得對應的相互關系。

在上述的三種方法中應用最多的是超聲衰減法，它主要是利用頻率的變化曲線斜率與超聲孔隙百分率之間的關系建立數(shù)學模型進而評價復合材料的孔隙率，除此之外也可以根據(jù)超聲波透過復合材料后的衰減量的大小，計算孔隙率與聲束面積之比。

4.結語

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，對復合材料的質量要求將越來越高，如何快速的對其進行質量檢測是值得大家思考的一個問題，因此未來超聲檢測將面向快速檢測、自動化檢測的方向發(fā)展，同時超聲探傷將會從對材料的質量檢測像對材料的質量評價的方向發(fā)展。

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