徐子鵬，韓旭，李麗娟，任姣姣，張丹丹

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

碳纖維復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、熱膨脹系數(shù)小、易于成型等諸多優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域已逐漸取代了金屬材料，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料制件在生產(chǎn)和使用過程中常常會受到?jīng)_擊，因其組份的多樣性和各項(xiàng)異性對沖擊損傷較為敏感［1］，往往在材料表面看不出明顯的傷痕，但材料內(nèi)部卻出現(xiàn)纖維斷裂、分層、脫粘等缺陷和損傷，從而嚴(yán)重影響材料的機(jī)械強(qiáng)度和密封性，造成重大的工程事故隱患。在生產(chǎn)和使用過程中快速有效地檢測出碳纖維材料沖擊損傷的存在，已成為碳纖維材料制造者和使用者的迫切需求。

激光錯位散斑檢測技術(shù)是上世紀(jì)末隨著計算機(jī)技術(shù)、電荷耦合器件（CCD）以及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的表面變形的全場實(shí)時成像檢測方法，是通過測量物體表面形變從而獲得物體內(nèi)部不連續(xù)信息的一種數(shù)字光學(xué)干涉技術(shù)［2］。由于其具有非接觸、精度高、實(shí)時檢測、檢測速度快、加載方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車輪胎等行業(yè)獲得廣泛的工程應(yīng)用［3］，特別適用于復(fù)合材料制件沖擊損傷的無損檢測。本文采用激光錯位散斑檢測技術(shù)對含有沖擊損傷的碳纖維復(fù)合材料層壓板進(jìn)行無損檢測，研究錯位方向、錯位量和熱加載時間對檢測結(jié)果的影響。

1 激光錯位散斑檢測技術(shù)的檢測原理

激光錯位散斑干涉技術(shù)是一種共光路、自參考的干涉測量法，典型的檢測原理圖如圖1所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后照射到待測物體表面，其反射光通過圖像錯位裝置形成兩束具有一定偏移量的激光束，并經(jīng)過光學(xué)成像透鏡在CCD的光敏面上形成兩個相互錯位的像，兩個錯位像相互干涉產(chǎn)生一個由物體表面形貌確定的散斑干涉圖，該散斑干涉圖隨著物體表面的變形而變化。

圖1 激光錯位散斑檢測原理圖

檢測時，需要對待測物體進(jìn)行加載，物體表面將由于加載產(chǎn)生形變，加載前后的兩幅散斑干涉圖被CCD接收。由于激光散斑檢測實(shí)際上是對物體表面產(chǎn)生形變前后離面位移一階導(dǎo)數(shù)的測量［4］，因此，通過用后一幅散斑圖的光強(qiáng)減去前一幅散斑圖的光強(qiáng)的計算機(jī)處理，即可獲得一幅反映物體表面在離面方向上的位移偏導(dǎo)數(shù)干涉條紋圖。根據(jù)特征條紋即可獲得被檢物體的缺陷信息：同一干涉條紋近似為位移導(dǎo)數(shù)相同的點(diǎn)，若被測物內(nèi)部損傷，在有缺陷的部位會形成對稱的表現(xiàn)為蝴蝶斑的干涉條紋圖案［5］，如圖2所示。缺陷越靠近物體表面，膨脹變形時阻力越小，在同一時刻形變量越大，因此下方缺陷的條紋會更密一些。

圖2 缺陷位置產(chǎn)生的蝴蝶斑（位相差檢測圖）

激光錯位檢測加載方式很多，常用的有熱加載、真空加載及壓力加載等，對于碳纖維復(fù)合材料而言，適合選用熱加載的激勵方式進(jìn)行檢測［6］。所謂熱加載，就是在檢測過程中對待測物體表面進(jìn)行加熱，由于缺陷區(qū)域的熱導(dǎo)率比完好區(qū)域的熱導(dǎo)率小很多，當(dāng)熱量從物體表面向下傳導(dǎo)時，將在缺陷區(qū)域產(chǎn)生熱量堆積，形成局部高溫，進(jìn)而產(chǎn)生較大程度的熱變形，導(dǎo)致表面產(chǎn)生異常應(yīng)變。

2 檢測對象及設(shè)備

2.1 檢測對象

本次實(shí)驗(yàn)中的檢測對象為4塊已知存在沖擊損傷的150mm×100mm碳纖維層壓板，如圖3-4所示。圖3所示為受2J能量沖擊的1mm度厚碳纖維層壓板，由于該樣件所受沖擊能量較低，在其正面和背面均無明顯受沖擊損傷痕跡，故對其進(jìn)行雙面檢測以觀察沖擊損傷對其的影響。如圖4所示依次為受11.25J能量沖擊的2.5mm、2.76mm及3mm厚度碳纖維層壓板，由于這組樣件所受沖擊能量較高，在其背面有肉眼可以觀察到的損傷痕跡，故只對其受到?jīng)_擊的表面進(jìn)行激光錯位散斑檢測。

圖3 1mm厚度碳纖維層壓板（2J能量沖擊）

圖42.5mm、2.76mm和3mm厚度碳纖維層壓板（11.25J能量沖擊）

2.2 檢測設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用德國Steinbichler公司的ISIS mobile 3100激光錯位散斑檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、真空倉、錯位散斑探頭單元（內(nèi)置于真空倉）和便攜式計算機(jī)四部分組成，激光光源為激光二極管，激光波長λ=660nm。該系統(tǒng)的測量面積為220×185mm2，相機(jī)分辨率為1392 × 1040pixel，離面位移的測量分辨率為30nm。

3 檢測過程和結(jié)果分析

3.1 檢測過程

分別對4塊已知沖擊損傷的碳纖維層壓板進(jìn)行檢測，觀察激光錯位散斑檢測對碳纖維層壓板沖擊損傷的檢測效果。由于本次使用的檢測設(shè)備焦距固定不變，故只需對錯位量和亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在選取適當(dāng)?shù)腻e位量（使用經(jīng)驗(yàn)值5mm）后調(diào)節(jié)視場亮度，使錯位成像在實(shí)時采集窗口的曝光接近（但不要達(dá)到）飽和，對樣件進(jìn)行3s的熱加載后得到相應(yīng)的檢測結(jié)果。

對受11.25J能量沖擊的2.5mm厚碳纖維層壓板進(jìn)行一系列激光錯位散斑檢測，分析錯位方向、錯位量和加載時間對檢測結(jié)果的影響：首先在錯位量和熱加載時間不變的條件下觀察水平錯位和豎直錯位對檢測結(jié)果的影響；然后在水平錯位和熱加載時間一定的條件下，得到樣件在0mm、2mm、5mm、8mm和10mm錯位量下的檢測結(jié)果；最后選定其中檢測效果最好的錯位量，對樣件在1s、2s、3s、5s、8s、10s熱加載時間下的檢測結(jié)果進(jìn)行記錄。

3.2 檢測結(jié)果

如圖5-6所示為4塊已知沖擊損傷的碳纖維層壓板的激光散斑檢測結(jié)果。圖5中（a）、（b）分別為受2J能量沖擊的1mm厚度碳纖維層壓板的正面和背面的檢測結(jié)果，結(jié)合圖5（a）和圖5（b）可知，雖然在樣件正面（受沖擊面）檢測到的只是一個范圍較小的沖擊點(diǎn)損傷，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的纖維斷裂和分層，因此在對碳纖維層壓板進(jìn)行熱加載激光散斑無損檢測時，檢測到的缺陷無論大小都應(yīng)給予重視。

圖5 受2J能量沖擊的1mm厚度碳纖維層壓板檢測結(jié)果

圖6所示分別為受11.25J能量沖擊的2.5mm、2.76mm及3mm厚度碳纖維層壓板的檢測結(jié)果，從圖6（a）和圖6（b）中可明顯看到樣件的受沖擊點(diǎn)和樣件內(nèi)部由于沖擊產(chǎn)生的分層缺陷，而圖6（c）中的樣件由于厚度較大的原因，其受沖擊點(diǎn)在檢測結(jié)果中并不明顯，實(shí)際上在該樣件背面與受沖擊點(diǎn)對應(yīng)的位置也并無明顯的沖擊損傷痕跡，但樣件內(nèi)部由于受到能量沖擊而產(chǎn)生的分層缺陷更為嚴(yán)重。從檢測結(jié)果可知，熱加載激光散斑無損檢測技術(shù)對碳纖維層壓板的沖擊損傷具有較高的檢測靈敏度，能夠有效地檢測出樣件所含有的沖擊損傷和受沖擊位置。

圖6 受11.25J能量沖擊的不同厚度碳纖維層壓板的檢測結(jié)果

3.2.1 錯位方向?qū)z測結(jié)果的影響

如圖7所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25能量沖擊）在保證錯位量5mm和熱加載時間3s且其他參數(shù)不變的條件下水平錯位和豎直錯位的檢測結(jié)果。對比圖（a）和圖（b）可以發(fā)現(xiàn)，圖（b）中樣件左側(cè)的分層缺陷只有部分區(qū)域較為明顯，其余本是缺陷的區(qū)域變成了疑似環(huán)境噪聲產(chǎn)生，這極大程度的影響了對缺陷的范圍和程度的判定。檢測結(jié)果表明：對具有明顯縱橫比的沖擊損傷而言，若錯位方向與其縱向一致，將對檢測結(jié)果產(chǎn)生較為明顯的影響。實(shí)際上，由沖擊產(chǎn)生的分層缺陷因碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)異性總是會具有明顯的縱橫比，因此在檢測過程中應(yīng)加以注意，對懷疑的區(qū)域采用與本次檢測相互垂直的錯位方向再次檢測加以證明。

圖7 不同錯位方向的檢測結(jié)果圖

3.2.2 錯位量大小對檢測結(jié)果的影響

如圖8所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25能量沖擊）在保證熱加載時間3s恒定且其他參數(shù)不變條件下設(shè)置不同錯位量大小得到的檢測結(jié)果。由圖8可知，當(dāng)錯位量大小為0mm時，缺陷的檢測靈敏度很低，嚴(yán)重影響對缺陷程度的判定；當(dāng)錯位量大小為8mm和10mm時，缺陷圖像被分離，在判斷缺陷時易誤判成兩個缺陷，導(dǎo)致缺陷數(shù)量和缺陷范圍的誤判，甚至在缺陷較為密集時會因?yàn)槿毕葜睾显斐陕z。故在實(shí)際檢測中，錯位量大小應(yīng)調(diào)節(jié)至與檢測到的最小缺陷的半徑到直徑之間，在保證檢測靈敏度的同時避免誤判和漏檢。

圖8 不同錯位量大小的檢測結(jié)果圖

3.2.3 熱加載時間對檢測結(jié)果的影響

如圖9所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25J能量沖擊）在保證水平錯位量5mm且其他參數(shù)不變條件下設(shè)置不同熱加載時間得到的檢測結(jié)果。由圖9可知，熱加載時間在3s內(nèi)時，熱加載時間越長，得到的檢測結(jié)果圖越清晰，缺陷顯示的越明顯；熱加載時間超過3s后，隨著熱加載時間的延長，得到的檢測結(jié)果圖中出現(xiàn)破碎圖像并且占據(jù)區(qū)域越來越大，導(dǎo)致圖像越來越不清晰甚至無法分辨缺陷。這是因?yàn)殡m然熱加載時間越長，樣件所含缺陷越容易被激發(fā)、樣件表位的離面位移越大，得到的缺陷越明顯，但是熱加載時間過長也會導(dǎo)致樣件溫度和其表面的空氣溫度迅速升高，致使樣件表面氣流紊亂、環(huán)境噪聲增強(qiáng)，影響散斑場的數(shù)據(jù)采集。此外，碳纖維材料導(dǎo)熱性能好，熱加載時間過長會使缺陷處和完好處受熱均勻，形變量趨近一值，導(dǎo)致缺陷不明顯。因此，在實(shí)際檢測中，應(yīng)根據(jù)樣件實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)臒峒虞d時間。

圖9 不同熱加載時間的檢測結(jié)果圖

4 結(jié)論

熱加載激光錯位散斑無損檢測技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷具有較高的檢測靈敏度，能夠快速、有效的檢測出材料所含缺陷并確定其位置，由于其具有非接觸、高效率、外力加載小等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好的應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的無損檢測。影響其檢測結(jié)果的因素較多，錯位方向、錯位量大小、熱加載時間以及操作人員經(jīng)驗(yàn)等因素都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，在實(shí)際檢測中，選取合適的錯位量和熱加載時間等參數(shù)對于獲取可靠的缺陷散斑圖像具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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