劉小華++曾志偉

摘 要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）以其優(yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領(lǐng)域。然而CFRP在使用或制造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些諸如表面纖維斷裂、纖維彎曲的損傷，這些損傷對(duì)結(jié)構(gòu)往往造成致命的威脅，因此對(duì)CFRP進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)顯得意義重大。本文介紹CFRP表面裂紋與纖維彎曲的研究現(xiàn)狀，并就這方面發(fā)展的方向提出一些看法。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；表面裂紋；纖維彎曲；無(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名為碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，其中碳纖維作為增強(qiáng)相，樹(shù)脂基作為基體。與金屬材料相比，CFRP有更好的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞性、抗腐蝕性和減震性。因?yàn)槠鋬?yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育及休閑用品和建筑等領(lǐng)域。然而CFRP在使用或制造的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)表面裂紋和纖維彎曲等損傷，比如使用時(shí)遭遇沖擊或被尖銳物體劃過(guò)表面就會(huì)造成表面裂紋，制造過(guò)程中快速固化引起殘余應(yīng)力提高便會(huì)造成纖維彎曲。這些損傷可以對(duì)結(jié)構(gòu)造成致命威脅，引發(fā)重大事故，因此對(duì)CFRP結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)顯得意義重大。CFRP是各向異性材料，這使得對(duì)CFRP材料表面裂紋與纖維彎曲等損傷的無(wú)損檢測(cè)研究變得更為棘手。

目前對(duì)CFRP進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法主要有超聲檢測(cè)、紅外檢測(cè)、渦流檢測(cè)、太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)以及微波檢測(cè)等，每種方法有其擅長(zhǎng)檢測(cè)的缺陷類型。本文就國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)CFRP表面裂紋與纖維彎曲這兩類損傷的檢測(cè)進(jìn)行的研究展開(kāi)介紹，并對(duì)今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂紋檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

超聲技術(shù)是目前針對(duì)CFRP表面裂紋的一種主要無(wú)損檢測(cè)方法，不斷有學(xué)者在這方面做出創(chuàng)新，激光超聲檢測(cè)便是一種新興技術(shù)。1963年，R.M.White發(fā)現(xiàn)激光超聲現(xiàn)象，即用激光束照射到物體時(shí)，物體表面10～100μm厚度內(nèi)會(huì)激發(fā)出超聲波。對(duì)激發(fā)出的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析就可以得到物體表面的輪廓信息[1]。自1980年開(kāi)始，美國(guó)學(xué)者開(kāi)始了將激光超聲應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)的研究，由此產(chǎn)生了激光超聲檢測(cè)技術(shù)[2]。20世紀(jì)90年代開(kāi)始將激光超聲技術(shù)用于復(fù)合材料的檢測(cè)[3]。后來(lái)此項(xiàng)技術(shù)被洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司獲得，在美國(guó)軍方聯(lián)合攻擊機(jī)JSF項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)以及開(kāi)發(fā)F22與F35型戰(zhàn)斗機(jī)的過(guò)程中，該技術(shù)獲得了極大地發(fā)展，在檢測(cè)CFRP表面裂紋的能力方面也取得了重大進(jìn)步[4]。

渦流檢測(cè)技術(shù)也是檢測(cè)CFRP表面裂紋的一種重要方法。電渦流遇到缺陷時(shí)發(fā)生擾動(dòng)，其在CFRP表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)亦發(fā)生變化，通過(guò)分析CFRP樣品表面的磁場(chǎng)信號(hào)可以得到樣品表面的輪廓信息，檢測(cè)出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超導(dǎo)量子干涉儀（HTS SQUID）磁力計(jì)的渦流檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)CFRP樣品進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)樣品板表面的磁場(chǎng)分布，檢測(cè)出了樣品板表面的裂紋[5]。2005年，R.Grimberg等利用渦流微聚焦傳感器對(duì)CFRP板表面進(jìn)行掃描，利用全息信號(hào)處理法處理信號(hào)的相位信息，得到了聚焦的較為清晰的圖像，重構(gòu)了碳纖維的分布情況，從而檢測(cè)出了表面裂紋[6]。

2015年，中國(guó)計(jì)量學(xué)院的廖曉玲等利用反射式太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）成像技術(shù)對(duì)CFRP缺陷進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了含不同缺陷碳纖維樣品的成像結(jié)果及數(shù)據(jù)。發(fā)射探頭兩側(cè)有多個(gè)接收探頭，通過(guò)處理接收探頭獲得的反射信號(hào)便可重構(gòu)缺陷信息。結(jié)果表明，反射式THz-TDS成像技術(shù)在0.1～3.5THz波段對(duì)CFRP中熱損傷、劃傷缺陷、磨損缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率較高[7]。

2016年，國(guó)防科技大學(xué)何赟澤等通過(guò)電磁感應(yīng)加熱與紅外熱成像測(cè)溫相結(jié)合的技術(shù)成功地對(duì)沖擊后的CFRP樣品進(jìn)行了表征和損傷檢查，識(shí)別了破碎的碳纖維，檢測(cè)出了CFRP表面裂紋缺陷[8]。

2 CFRP纖維彎曲檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)CFRP纖維彎曲檢測(cè)的研究起步較晚，2015年，楊玉娥等研究微波信號(hào)在復(fù)合材料中的傳播特性，使用N5225A網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)碳纖維的方向和纖維彎曲進(jìn)行了微波無(wú)損檢測(cè)研究，用微波信號(hào)反射系數(shù)的相位和幅值來(lái)表征纖維方向和纖維彎曲缺陷。結(jié)果表明，在頻率為38GHz時(shí)可以用反射系數(shù)幅值表征纖維彎曲缺陷，反射系數(shù)幅值最大變化為0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一種探測(cè)器來(lái)檢測(cè)單向CFRP平面內(nèi)和平面外纖維彎曲，基于渦流的非破壞性技術(shù)來(lái)表征纖維取向。這種探測(cè)器由三個(gè)矩形線圈組成，其中兩個(gè)相同的線圈共面放置作為激勵(lì)，正中間一個(gè)接收線圈與兩激勵(lì)線圈所在平面垂直放置。通過(guò)變換探測(cè)器放置的方式，可以測(cè)量面內(nèi)纖維波紋度（即纖維彎曲程度）、面外纖維波紋度以及纖維方向角。實(shí)驗(yàn)研究表明，他們所提出的探測(cè)器可以檢測(cè)出薄的單向CFRP中長(zhǎng)度為15.9mm，最大偏移量為1.1mm的面內(nèi)纖維波紋度，也可以檢測(cè)出厚的單向CFRP中最大偏移量為3.5mm的面外纖維波度。他們發(fā)現(xiàn)掃描具有平面外波紋的材料獲得的復(fù)平面中的輸出信號(hào)變成環(huán)形圖，環(huán)形圖可用于識(shí)別平面外纖維波度的存在和位置[10]。

2016年，他們又提出了一種可視化多向CFRP纖維波紋度檢測(cè)方法。由于由驅(qū)動(dòng)線圈感應(yīng)的渦流沿著碳纖維流動(dòng)，所以如果渦流路徑可視化，纖維波動(dòng)就可以可視化。他們提出了一種新的復(fù)平面分析方法來(lái)將渦流路徑可視化。該方法的有效性通過(guò)有限元分析得到了驗(yàn)證。對(duì)多向CFRP試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在樣品中人工誘導(dǎo)具有6.9°至24.9°的失準(zhǔn)角的面內(nèi)波紋。從磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化渦流路徑，得到了波紋的形狀。將波狀渦流路徑的尺寸與通過(guò)X射線計(jì)算機(jī)層析成像測(cè)量的波紋尺寸和光學(xué)圖像進(jìn)行比較，結(jié)果表明，渦流法可以準(zhǔn)確地估計(jì)表面波度尺寸，但低估了內(nèi)部波動(dòng)尺寸[11]。

3 展望

國(guó)內(nèi)外關(guān)于CFRP表面裂紋與纖維彎曲的無(wú)損檢測(cè)研究取得了可喜的進(jìn)步。未來(lái)可以在如下方面展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

（1）目前很少有專門針對(duì)CFRP表層裂紋的研究報(bào)告，裂紋造成的纖維斷裂對(duì)CFRP結(jié)構(gòu)的危害是不容小覷的，希望有擅長(zhǎng)檢測(cè)裂紋的無(wú)損檢測(cè)專家對(duì)此多加關(guān)注，給CFRP表面裂紋檢測(cè)研究提供更多可供參考的文獻(xiàn)。

（2）渦流檢測(cè)中用于檢測(cè)CFRP表層裂紋的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作頻率低，此時(shí)CFRP中渦流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID體積大，不利于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)操作。因此有必要研究使用方便，可在較高頻率下工作的探頭。

（3）關(guān)于CFRP纖維彎曲的無(wú)損檢測(cè)研究還非常少，還有很多工作可以做，鼓勵(lì)無(wú)損檢測(cè)各個(gè)領(lǐng)域的專家對(duì)此展開(kāi)研究。

致謝：感謝福建省傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廈門市傳感器技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的支持。

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