杜飛 焦少妮 曾志偉

（廈門大學(xué)航空系，福建廈門 361005）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料渦流檢測(cè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

杜飛 焦少妮 曾志偉

（廈門大學(xué)航空系，福建廈門 361005）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）以其優(yōu)越的性能得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。然而CFRP在制造和使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些損傷，如分層、脫粘和纖維斷裂等，因此CFRP的無損檢測(cè)對(duì)于保證材料結(jié)構(gòu)完整性具有極其重要的意義。本文介紹國(guó)內(nèi)外CFRP渦流檢測(cè)的研究現(xiàn)狀，并就CFRP渦流檢測(cè)的發(fā)展方向提出一些看法。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 損傷 渦流檢測(cè) 數(shù)值模擬

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）以其優(yōu)越的性能得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展。然而CFRP在制造和使用過程中，由于多種原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些損傷，如分層、脫粘、孔隙、纖維斷裂、彎曲等。與金屬材料不同，CFRP在斷裂或者損壞之前幾乎沒有什么先兆，其破壞具有突然性，并往往對(duì)結(jié)構(gòu)造成致命威脅，直至造成重大安全事故，因而對(duì)CFRP的在役無損檢測(cè)具有極其重要的意義。由于CFRP是各向異性材料，其無損檢測(cè)與傳統(tǒng)金屬材料相比難度更大。

目前應(yīng)用較多的CFRP檢測(cè)方法有紅外檢測(cè)、X射線檢測(cè)以及超聲檢測(cè)等。這些檢測(cè)技術(shù)都取得了一定的效果。因?yàn)镃FRP本身具有一定的導(dǎo)電能力，理論上可以用渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。此外，與其他檢測(cè)技術(shù)相比，渦流檢測(cè)技術(shù)在某些方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。例如，用渦流探傷法探測(cè)表面裂紋可靠性高；檢測(cè)時(shí)一般不需清除零件表面的油脂、積碳和保護(hù)層；多數(shù)情況下可在不分解被測(cè)工件的前提下，在外場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行原位探傷［1］。本文介紹國(guó)內(nèi)外CFRP渦流檢測(cè)的研究現(xiàn)狀，并就CFRP渦流檢測(cè)的發(fā)展方向提出一些看法。

1 CFRP簡(jiǎn)介

碳纖維是主要由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維是一種新型非金屬材料，是發(fā)展最迅速，應(yīng)用范圍最廣的纖維材料，可滿足多個(gè)領(lǐng)域的要求。碳纖維和它的復(fù)合材料具有密度低、耐化學(xué)腐蝕、耐摩擦、抗輻射、減震、降噪等一系列的優(yōu)異性能，而且作為纖維它還有柔軟性和可編、可紡織性，特別突出的是它擁有高比強(qiáng)度和高比模量?jī)纱筇匦?。CFRP是八十年代后期發(fā)展起來并備受重視的一類結(jié)構(gòu)材料。隨著制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，其發(fā)展十分迅速，被廣泛運(yùn)用在航空航天、艦船、核工業(yè)、兵器工業(yè)、汽車工業(yè)、民用建筑、電力電子等領(lǐng)域［2］。

CFRP由不同纖維方向的單層材料層壓或編織而成，每層的厚度介于0.05～0.25mm之間。單層材料由碳纖維和不具備導(dǎo)電性的基體材料融合而成。CFRP具有導(dǎo)電性，并且是電各向異性的。一般認(rèn)為，CFRP在順著碳纖維方向的縱向電導(dǎo)率在5×103～5×104S/ m之間，而在垂直于纖維方向的橫向電導(dǎo)率在10～100S/m之間。同時(shí)在層壓或編織結(jié)構(gòu)中，每層碳纖維材料之間也會(huì)存在電導(dǎo)率，這個(gè)電導(dǎo)率比較小，大約是橫向電導(dǎo)率的一半左右?；谏鲜隹紤]，可以用式（1）來表述復(fù)合材料的電導(dǎo)率張量［3］。

式中，δL是縱向電導(dǎo)率，δT是橫向電導(dǎo)率，δcp是層與層之間的電導(dǎo)率，θ是單層材料中纖維方向在笛卡爾坐標(biāo)下的角度。

2 CFRP渦流檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

CFRP具有一定的導(dǎo)電能力，理論上可以用渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而且渦流檢測(cè)與其他檢測(cè)技術(shù)相比具有成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此CFRP渦流檢測(cè)的研究具有重要意義。雖然CFRP具有一定的導(dǎo)電能力，但其電導(dǎo)率較金屬材料小得多，并且不同方向上的電導(dǎo)率是不一樣的，這就增加了渦流檢測(cè)的難度。如何設(shè)計(jì)檢測(cè)探頭以及設(shè)置良好的檢測(cè)條件以提高檢測(cè)的靈敏度和信噪比，成為CFRP渦流檢測(cè)研究的重點(diǎn)之一。實(shí)驗(yàn)探究的方法是最早也是最常用的CFRP渦流檢測(cè)的研究方法。

2003年，C.Carr等人利用基于高溫超導(dǎo)量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，掃描CFRP樣品表面，得到樣品表面的磁場(chǎng)分布，檢測(cè)出了隱藏的損傷。從磁場(chǎng)相位圖可以看出磁場(chǎng)相位取決于樣品的結(jié)構(gòu)完整性，并且相位導(dǎo)數(shù)最小值隨著撞擊能量的增加而變大［4］。2007年，C. Bonavolontà等利用相似的渦流檢測(cè)系統(tǒng)，通過分析磁通量變化圖像，確定了CFRP內(nèi)損傷的位置，并且得到了損傷的大小及形狀［5］。

2005年，R. Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對(duì)CFRP樣品表面進(jìn)行掃描，利用全息信號(hào)處理方法處理測(cè)量信號(hào)的相位信息，得到聚焦的較為清晰的圖像，重構(gòu)出碳纖維的分布情況，從而可以很清楚地看出損傷區(qū)域［6］。

2009年，W. Yin等設(shè)計(jì)了三種不同的線圈傳感器分別用于測(cè)量CFRP的體電導(dǎo)率，描繪纖維的方向特性和對(duì)單向CFRP樣品、正交雙向CFRP樣品及受沖擊損傷的CFRP樣品進(jìn)行檢測(cè)并成像［7］。

2013年，K. Koyama等設(shè)計(jì)了一種矩形的交叉渦流檢測(cè)探頭，清楚地檢測(cè)到CFRP樣品的內(nèi)部缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整激勵(lì)線圈與纖維方向之間的角度，可以減小噪聲，提高信噪比。但是雙向CFRP的檢測(cè)信號(hào)中噪聲仍比較大［8］。

2014年，B.Salski等通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)平行放置在CFRP樣品表面的平面螺旋線圈的互感來檢測(cè)材料中的缺陷［9］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及仿真研究的進(jìn)步，部分學(xué)者將目光投向CFRP渦流檢測(cè)的仿真研究。相比于實(shí)驗(yàn)研究，利用計(jì)算機(jī)對(duì)渦流檢測(cè)進(jìn)行仿真研究具有設(shè)備簡(jiǎn)單，研究成本低，研究方法靈活等優(yōu)勢(shì)。

2009年，H.Menana等提出一個(gè)CFRP渦流檢測(cè)的三維計(jì)算模型。該模型基于T-φ表述（T和φ分別代表電矢量位和磁標(biāo)量位），利用有限差分法計(jì)算CFRP的渦流密度。作者研究了材料內(nèi)部的渦流分布規(guī)律及缺陷對(duì)渦流的影響。通過模擬得到了優(yōu)化的探頭參數(shù)和檢測(cè)條件，為實(shí)驗(yàn)研究提供了很好的指導(dǎo)作用［10］。2011年，H. Menana等提出基于A-T表述（A代表磁矢量位）的積分微分模型，計(jì)算出CFRP渦流檢測(cè)中線圈阻抗的變化；還提出用于模擬CFRP薄板結(jié)構(gòu)檢測(cè)的簡(jiǎn)化準(zhǔn)二維模型，提高了薄板結(jié)構(gòu)檢測(cè)模擬的計(jì)算效率［11］。

2010年，G.Megali等設(shè)計(jì)了一個(gè)鐵氧體磁芯探頭，用于檢測(cè)CFRP中的缺陷，并使用有限元法進(jìn)行模擬。此外他們還使用自適應(yīng)同態(tài)濾波技術(shù)來提高模擬的精度［12］。

3 CFRP渦流檢測(cè)的發(fā)展展望

雖然CFRP的渦流檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬兩個(gè)方面都取得了一定的進(jìn)展，但仍有許多問題需要進(jìn)一步的研究。未來可能的研究方向有：

（1）目前CFRP渦流檢測(cè)的仿真研究還處在起步階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究都比較少，還有待于今后的深入研究才能進(jìn)一步發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮其指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究并與實(shí)驗(yàn)研究相互驗(yàn)證的功用。

（2）實(shí)際CFRP中的碳纖維分布不均勻，缺陷形式多種多樣，這給CFRP渦流檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究帶來了很大的困難。雖然目前基于HTS SQUID磁力計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)能夠較好得完成對(duì)復(fù)合材料損傷的檢測(cè)，但也不能檢測(cè)出所有的缺陷類型。因此，今后還需對(duì)如何更好的設(shè)計(jì)檢測(cè)探頭，排除碳纖維分布不均勻帶來的干擾，以及如何檢測(cè)更多類型的缺陷做進(jìn)一步的研究。

（3）雖然SQUID是最靈敏的磁場(chǎng)測(cè)量器件，但其工作頻率低，此時(shí)CFRP中的渦流密度很小，對(duì)檢測(cè)不利。而且，SQUID體積大，操作復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。今后應(yīng)重點(diǎn)研究高頻檢測(cè)。頻率高時(shí)，用普通線圈就可以得到較大的信號(hào)。

（4）實(shí)際檢測(cè)過程中，為了更好的保證檢測(cè)精度，往往不是采用單一的檢測(cè)技術(shù)手段。因此在今后的CFRP渦流檢測(cè)研究當(dāng)中，還應(yīng)重視與其他檢測(cè)技術(shù)手段的結(jié)合，這在一定程度上可以提升檢測(cè)效果，使檢測(cè)的準(zhǔn)確性更高。

［1］沈真.碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用. 高科技纖維與應(yīng)用，2010，35（4）：1-4.

［2］任姍姍，皇甫超華，崔慶龍.碳纖維復(fù)合材料的研究與應(yīng)用.科技向?qū)В?010（5）：67.

［3］S. B. Pratap and W. F. Weldon. “Eddy Currents in Anisotropic Composites Applied to Pulsed Machinery，” IEEE Trans. Magn.，vol. 32， no. 2， pp. 437-444， 1996.

［4］C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. “SQUID-based Non-destructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Polymer，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 13， no. 2，pp. 196-199， 2003.

［5］C. Bonavolontà， M. Valentino， G. Peluso， and A. Barone. “Non Destructive Evaluation of Advanced Composite Materials for Aerospace Application Using HTS SQUIDs，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 17， no. 2， pp. 772-775， 2007.

［6］R. Grimberg， A. Savin， R. Steigmann， and A. Bruma.“Eddy Current Examination of Carbon Fibers in Carbon-epoxy Composites and Kevlar，” The 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing， Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering， pp. 223-228， Sep. 2005.

［7］W. Yin， P. J. Withers， U. Sharma， and A. J. Peyton. “Noncontact Characterization of Carbon-fiber-reinforced Plastics Using Multi-frequency Eddy Current Sensors，” IEEE Trans. Instrum. Meas.， vol. 58， no. 3， pp. 738-743， 2009.

［8］K. Koyama， H. Hoshikawa， and G. Kojima. “Eddy Current Nondestructive Testing for Carbon Fiber-reinforced Composites，”J. Press. Vess-T.， vol. 135， no. 4， pp. 1-5， 2013.

［9］B. Salski， W. Gwarek， and P. Korpas， “Non-destructive testing of carbon-fiber-reinforced polymer composites with coupled spiral inductors，” IEEE Int. Micro. Symp.， pp. 1-4， 2014.

［10］H. Menana and M. Féliachi. “3-D Eddy Current Computation in Carbon-fiber Reinforced Composites，” IEEE Trans. Magn.，vol. 45， no. 3， pp. 1008-1011， 2009.

［11］H. Menana and M. Féliachi. “An Integro-differential Model for 3-D Eddy Current Computation in Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites，” IEEE Trans. Magn.， vol. 47， no. 4，pp. 756-763， 2011.

［12］G. Megali， D. Pellicanμo， M. Cacciola， S. Calcagno， M. Versaci，and F. C. Morabito. “EC Modelling and Enhancement Signals in CFRP Inspection，” Prog. Electrom. Res. M， vol. 14， pp. 45-60，2010.

此項(xiàng)研究為國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：51277154）和教育部博士點(diǎn)基金（項(xiàng)目編號(hào)：20120121110026）資助項(xiàng)目。