陳桂新

深圳市龍崗區(qū)工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站

摘要：碳纖維復(fù)合材料在建筑、交通運(yùn)輸、宇航工業(yè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。為保證復(fù)合材料的安全應(yīng)用，復(fù)合材料的檢測(cè)研究受到人們的廣泛重視。本文主要探討碳纖維復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；無(wú)損檢測(cè)

1 碳纖維復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀

1.1紅外熱波檢測(cè)方法

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的基本原理是對(duì)檢測(cè)材料進(jìn)行主動(dòng)加熱，利用被檢測(cè)材料內(nèi)部熱學(xué)性質(zhì)差異以及熱傳導(dǎo)的不連續(xù)性使物體表面溫度產(chǎn)生差異，進(jìn)而在物體表面的局部區(qū)域形成溫度梯度。溫度不同時(shí)紅外輻射能力也隨著發(fā)生變化，借助紅外熱像儀對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)紅外熱像儀探測(cè)的輻射分布來(lái)推斷被測(cè)試件的內(nèi)部缺陷。

李艷紅等[1]用紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維層壓板的圓形缺陷進(jìn)行了檢測(cè)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)能以直觀易懂的圖像形式展現(xiàn)出被檢材料內(nèi)部的缺陷情況。原始圖像和一階微分圖像能較清楚地顯現(xiàn)出輪廓及溫度變化過(guò)程，還可以做缺陷尺寸標(biāo)定及深度測(cè)量。但由于熱圖對(duì)材料非均勻性的敏感，也可能會(huì)對(duì)某些試件缺陷造成誤判。通過(guò)利用紅外熱波檢測(cè)方法對(duì)碳纖維層壓板沖擊損傷研究。結(jié)果表明，紅外波檢測(cè)方法可以清晰地表征碳纖維層壓板的纖維走向，還可以確定沖擊損傷在試件內(nèi)部隨深度的變化過(guò)程。李曉霞等[2]對(duì)低速?zèng)_壓后的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了紅外熱波檢測(cè)分析，研究了損傷面積和沖擊能量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，紅外熱波不僅對(duì)沖擊損傷的大小具有檢測(cè)能力，還可以對(duì)損傷材料內(nèi)部沖擊點(diǎn)處的擴(kuò)展損傷模式進(jìn)行有效的檢測(cè)?；粞愕萚3]利用脈沖紅外熱成像技術(shù)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料試樣內(nèi)部的模擬脫粘缺陷深度進(jìn)行測(cè)量研究。利用該方法測(cè)量脫粘缺陷深度的精度由單點(diǎn)法標(biāo)定測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了在被檢測(cè)材料熱屬性參數(shù)未知的情況下能較準(zhǔn)確地測(cè)量脫粘缺陷深度。金國(guó)鋒等[4]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部界面貼合性缺陷的快速檢測(cè)和識(shí)別，采用超聲紅外熱波方法進(jìn)行檢測(cè)研究。結(jié)果表明，超聲熱波方法適于復(fù)合材料裂紋、分層、沖擊損傷等界面貼合型缺陷的快速檢測(cè)和識(shí)別，而對(duì)脫粘等非界面貼合型缺陷檢測(cè)無(wú)效果。

綜上，紅外熱波檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)碳纖維復(fù)合材的裂紋、分層等內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，但是根據(jù)紅外熱波檢測(cè)的原理可知，檢測(cè)過(guò)程要經(jīng)過(guò)加熱、熱傳導(dǎo)、形成溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生輻射等多個(gè)步驟，因此，在檢測(cè)過(guò)程中需要一定的時(shí)間，不能進(jìn)行快速的掃描檢測(cè)。

1.2滲透和層析檢測(cè)方法

采用滲透和層析檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料缺陷，是利用各組分物理性質(zhì)的不同，將多組分混合物進(jìn)行分離及測(cè)定的方法。

通過(guò)在研究碳纖維復(fù)合材料缺陷產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用氯化金滲透液優(yōu)良的滲透性能，對(duì)碳纖維復(fù)合材料鉆孔分層進(jìn)行滲透檢測(cè)研究，并總結(jié)出鉆孔立體分層模型。許羽等[5]在電磁層析成像系統(tǒng)中，對(duì)帶缺陷的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行圖像重建仿真。結(jié)果表明，采用精確重建算法的電磁層析無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以探測(cè)碳纖維復(fù)合材料中的缺陷。

滲透檢測(cè)方法可以檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料由于鉆孔產(chǎn)生的分層缺陷。但是，滲透檢測(cè)方法是一種表面無(wú)損檢測(cè)方法，只適用于檢測(cè)表面開(kāi)口的缺陷，無(wú)法對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。

1.3聲發(fā)射檢測(cè)方法

聲發(fā)射檢測(cè)是通過(guò)接收和分析材料的聲發(fā)射信號(hào)，評(píng)定材料性能和結(jié)構(gòu)完整性的一種無(wú)損檢測(cè)方法。材料中因裂縫擴(kuò)展、塑性變形或相變等引起的應(yīng)變快速釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力波現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。

王兵等[6]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)典型的碳/環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料的I/II混合模式分層行為和層間斷裂韌性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，碳纖維鋪層在損傷與斷裂不同階段所釋放的聲發(fā)射信號(hào)特征不同，聲學(xué)檢測(cè)能有效地監(jiān)測(cè)其剪切、混合分層和張力分層過(guò)程。聲發(fā)射檢測(cè)能有效判斷碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部活動(dòng)過(guò)程，判定損傷類型，在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與完整性評(píng)價(jià)中有良好的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合芯損傷進(jìn)行了聲發(fā)射信號(hào)研究。結(jié)果表明，不同應(yīng)力損傷與聲發(fā)射信號(hào)功率譜頻率之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而樹(shù)脂基體斷裂和碳纖維斷裂兩種不同缺陷的聲發(fā)射信號(hào)有明顯的區(qū)別。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可以有效地檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷及損傷類型。但是，對(duì)聲發(fā)射法來(lái)說(shuō)，缺陷所處的位置和方向并不影響聲發(fā)射的檢測(cè)效果，即用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)無(wú)法檢測(cè)出缺陷的位置。

1.4微波無(wú)損檢測(cè)方法

微波檢測(cè)技術(shù)是以微波物理學(xué)、電子學(xué)和微波測(cè)量為基礎(chǔ)的微波技術(shù)應(yīng)用。以微波作為信息載體，對(duì)各種材料構(gòu)件和自然現(xiàn)象進(jìn)行檢測(cè)和診斷，對(duì)物體性能和工藝參數(shù)等非電量進(jìn)行非接觸、非污染的快速測(cè)量和監(jiān)控，是一門新興的綜合性技術(shù)科學(xué)。微波檢測(cè)的原理是研究微波與物質(zhì)之間的相互作用，通過(guò)微波的物理特性（如反射、散射、衍射、透射及多普勒效應(yīng)等）及被檢測(cè)材料的電磁特性（如介電常數(shù)和損耗的相對(duì)變化）來(lái)測(cè)量微波基本參數(shù)的變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料的性能、缺陷等非電量的檢測(cè)。

根據(jù)微波檢測(cè)的原理不同，微波檢測(cè)可以分為微波穿透法、微波散射法和微波反射法等。微波穿透檢測(cè)方法是利用微波信號(hào)在被測(cè)材料中單程傳播后，微波信號(hào)的變化來(lái)表征被測(cè)材料內(nèi)部的特性，其檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1微波穿透法工作原理圖

微波散射檢測(cè)方法是利用介質(zhì)桿窄波束探頭作為傳感器發(fā)射微波，再用檢波器接收信號(hào)，確定試樣散射特性，以判斷材料的內(nèi)部缺陷。根據(jù)被測(cè)試樣周圍的檢波器得到的散射數(shù)據(jù)，通過(guò)逆問(wèn)題求解，重建被測(cè)試樣的復(fù)介電常數(shù)分布的圖像（強(qiáng)度分布），從而推斷出被測(cè)試樣的某些重要性質(zhì)，其檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2微波散射法工作原理圖

微波反射檢測(cè)方法是利用微波信號(hào)在被測(cè)材料中雙程傳播后，微波信號(hào)的變化來(lái)表征被測(cè)材料的內(nèi)部特性。微波的反射信號(hào)不僅攜帶了被測(cè)材料內(nèi)部的性能特性，還攜帶了各界面間的結(jié)合性能特性，以及金屬基體表面的健康狀況等特性，分為遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)和近場(chǎng)檢測(cè)。用遠(yuǎn)場(chǎng)反射系數(shù)法檢測(cè)水泥中鋼筋位置，利用遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥中鋼筋的成像，為使反射信號(hào)不受外界因素的影響，在被測(cè)試樣的后面加了一層吸波材料；用同軸探頭檢測(cè)IC封裝脫粘，采用的是微波近場(chǎng)檢測(cè)方法，利用帶法蘭的同軸探頭對(duì)脫粘現(xiàn)象進(jìn)行微波無(wú)損檢測(cè)。

王曉紅等[7]對(duì)碳纖維復(fù)合材料的反射特性進(jìn)行了研究，研究各種鋪層方向的碳纖維復(fù)合材料的微波反射特性，結(jié)果表明，單向纖維鋪層的碳纖維復(fù)合材料的反射率與纖維方向及層板厚度有關(guān)；交叉鋪層的反射率較大，但比金屬的反射率小。利用終端開(kāi)口矩形波導(dǎo)對(duì)碳纖維復(fù)合材料與砂漿基體間的脫粘進(jìn)行了近場(chǎng)微波無(wú)損檢測(cè)。研究表明，在10 GHz和24 GHz時(shí)利用微波檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)的脫粘最小尺寸為2 cm和0.5。利用雙極化近場(chǎng)微波反射計(jì)檢測(cè)了碳纖維復(fù)合材料與水泥混凝土間的脫粘，該方法可以消除提離距離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。利用近場(chǎng)微波成像技術(shù)對(duì)碳加載復(fù)合材料內(nèi)部的空隙進(jìn)行檢測(cè)研究。結(jié)果顯示，不同位置處的能量分布與理論結(jié)果相同，由于矩形波導(dǎo)和圓形波導(dǎo)極化方向的不同，在檢測(cè)空隙時(shí)圓形波導(dǎo)更具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)利用太赫茲成像技術(shù)對(duì)多種復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，信號(hào)的反射脈沖可以表征鋼板與陶瓷層間的脫粘缺陷；太赫茲成像技術(shù)可以表征玻璃纖維復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷和玻璃纖維的方向、分布等；微波信號(hào)可以表征碳纖維復(fù)合材料表面粗糙度和纖維的方向。

2 研究展望

由于碳纖維復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，在其應(yīng)用領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，因此，急需一種合適的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量和健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法都可以達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的要求，并且可以對(duì)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷達(dá)到檢測(cè)的目的。但是，各種方法還存在著局限性，紅外檢測(cè)方法速度較慢；滲透檢測(cè)只能檢測(cè)表面有開(kāi)口的缺陷；聲發(fā)射檢測(cè)不能確定內(nèi)部缺陷的位置，微波檢測(cè)技術(shù)在碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)研究相對(duì)不夠深入。

利用微波技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，到目前為止，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)主要是碳纖維復(fù)合材料與其他材料之間的脫粘檢測(cè)。對(duì)碳纖維復(fù)合材料本身的特性檢測(cè)還很不完善，還有很多問(wèn)題有待深入研究。

1）只對(duì)碳纖維復(fù)合材料與其他材料之間的脫粘和分層做了檢測(cè)研究，目前對(duì)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部各層間脫粘和分層的微波檢測(cè)尚需要進(jìn)一步的研究。

2）根據(jù)能量分布對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部大的空隙進(jìn)行了定位檢測(cè)，但是對(duì)碳纖維復(fù)合材料整體的孔隙率進(jìn)行微波無(wú)損檢測(cè)的研究尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

3）對(duì)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的夾雜和裂紋進(jìn)行微波無(wú)損檢測(cè)的研究較少，需要對(duì)其檢測(cè)的基本理論進(jìn)行研究。目前沒(méi)有一種好的理論計(jì)算方法來(lái)指導(dǎo)微波檢測(cè)過(guò)程，即理論模型的研究有待深入。

4）在檢測(cè)過(guò)程中為了提高檢測(cè)的靈敏度，需要對(duì)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷紅，趙躍進(jìn)，馮立春，等.碳纖維基體涂層質(zhì)量的紅外熱波檢測(cè)研究[J].中國(guó)激光，2009，36（6）：1489一1492.

[2]李曉霞，伍耐明，段玉霞，等.碳纖維層合板低速?zèng)_擊后的紅外熱波檢測(cè)分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27（6）；88一93.

[3]霍雁，張村林.碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷深度的定量紅外檢測(cè)[J].物理學(xué)報(bào)，2012，61（14）；1一7.

[4]金國(guó)鋒，張煒，楊正偉，等.界面貼合型缺陷的超聲紅外熱波檢測(cè)與識(shí)別[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2013，45（2）；167一175.

[5]許羽，劉澤，程軼平.電磁層析無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中碳纖維復(fù)合材料缺陷重建的仿真[J].無(wú)損檢測(cè)，2008，30（6）；23一26.

[6]王兵，劉延雷，李偉忠，等.碳纖維復(fù)合材料彎曲損傷的聲發(fā)射試驗(yàn)研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，6；30-31.

[7]王曉紅，劉俊能.碳纖維復(fù)合材料的微波反射特性研究[J].功能材料，1999，30（4）；387一388，399.