喻星星，朱 穎，曹 艷，付躍文

(1.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院，長沙 410124；2.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量小、強(qiáng)度大、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)異的性能,被廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)[1]。碳纖維復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電能力，但相比于金屬材料，其導(dǎo)電能力較弱[2]，被雷擊后受損嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每架飛機(jī)每年平均遭遇兩次雷擊。對商業(yè)航線飛機(jī)而言，這是大概率事件。另有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1架飛機(jī)平均飛行3 000 h就有可能遭遇1次雷擊[3]。

雷擊通常造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層、表層穿孔、燒蝕等熱損傷。雷擊區(qū)域呈黑色，熱影響區(qū)遠(yuǎn)大于直接燒蝕區(qū)[4]。圖1為民航飛機(jī)遭受雷擊后，碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件部分損傷外觀(損傷包括分層、向外鼓出燒蝕等，其中實(shí)際分層區(qū)面積大于雷擊燒蝕區(qū)面積)。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)遭遇雷擊后，需要用敲擊法或其他無損檢測(NDT)方法對其熱損傷進(jìn)行檢測，以確定熱損傷導(dǎo)致的分層及材料性狀改變的區(qū)域。該區(qū)域范圍可能很大，且不易確定。

圖1 飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的部分雷擊損傷外觀

渦流檢測方法對電導(dǎo)率改變的測試具有很高的靈敏度[5]，同時(shí)對碳纖維復(fù)合材料的分層、厚度改變、開裂等問題也具有很好的檢測效果[1]。可以采用渦流檢測方法對碳纖維復(fù)合材料的熱損傷進(jìn)行無損檢測，對其損傷程度開展評估。

1 碳纖維復(fù)合材料熱損傷渦流檢測原理

1.1 導(dǎo)電原理

滲流理論是碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電原理的主流理論，該理論認(rèn)為，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的碳纖維單絲含量達(dá)到某一臨界值(滲濾濃度)時(shí)，材料內(nèi)部的碳纖維單絲彼此相互接觸，形成導(dǎo)電通道，且導(dǎo)電通道形成的概率隨碳纖維含量的增加而增大，其內(nèi)部的電容及電阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。當(dāng)外加電場足夠大時(shí),復(fù)合材料內(nèi)部的電子定向移動(dòng)形成電流。另一種常見的理論是隧穿理論，其認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的碳纖維單絲不可能完全接觸構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而是依靠電子的隧穿效應(yīng)跨越材料內(nèi)部阻隔纖維之間的絕緣層來參與導(dǎo)電的[3,6-7]。

圖2 碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部的電容及電阻網(wǎng)絡(luò)示意

1.2 渦流檢測阻抗分析

渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的一種無損檢測方法，適用于導(dǎo)電材料。碳纖維復(fù)合材料可視作由電容和電阻構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而這些電容和電阻與渦流檢測時(shí)的渦流特性有關(guān)，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料存在熱損傷時(shí)，其電容和電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致其導(dǎo)電能力發(fā)生改變，從而影響檢測線圈的阻抗。

阻抗分析法是以分析渦流效應(yīng)引起的線圈阻抗與相位變化之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，進(jìn)而鑒別各影響因素效應(yīng)的一種分析方法。在常規(guī)渦流檢測阻抗分析中，檢測人員通常對阻抗平面圖進(jìn)行歸一化處理。歸一化后的阻抗平面圖既有統(tǒng)一的形式，又有廣泛的可比性[5]。

2 碳纖維復(fù)合材料熱損傷檢測系統(tǒng)

碳纖維復(fù)合材料熱損傷檢測系統(tǒng)主要包括渦流檢測儀、碳纖維渦流阻抗測試專用探頭、碳纖維復(fù)合材料熱損傷試件等。

2.1 檢測儀器及探頭

試驗(yàn)使用EEC-35+型多頻渦流檢測儀，其具備兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)的檢測頻率，支持自動(dòng)混頻，可變頻率為64 Hz5 MHz，其工作原理框圖如圖3所示。

圖3 EEC-35+型多頻渦流檢測儀的工作原理框圖

通過檢測探頭可獲得碳纖維復(fù)合材料的渦流檢測信號，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儀器的管理、控制、計(jì)算(阻抗分析)和圖形顯示(阻抗圖顯示)功能。檢測使用的渦流探頭為絕對式渦流平探頭，探頭線圈直徑為5 mm，頻帶為500 kHz5 MHz。

2.2 檢測試樣

檢測試樣為T300級平紋啞光的碳纖維復(fù)合材料板，尺寸(長×寬×厚，下同)為100 mm×100 mm×2 mm(4塊)和100 mm×200 mm×2 mm。不同熱損傷程度的碳纖維復(fù)合材料試樣外觀如圖4所示(圖中高溫暴露指熱損點(diǎn)暴露于噴射火焰下，直接暴露點(diǎn)直徑為20 mm)。長為200 mm的碳纖維復(fù)合材料熱損傷試樣外觀如圖5所示，該試樣用于研究距熱損傷不同距離處的渦流阻抗，熱損點(diǎn)在噴射火焰下暴露20 s，直接暴露點(diǎn)直徑為20 mm。試樣在噴射火焰中暴露的時(shí)間不同，將導(dǎo)致試樣產(chǎn)生不同程度的分層缺陷。持續(xù)火焰燒蝕可制作穿孔等缺陷，該缺陷外觀與雷擊損傷有很高的相似性。

圖4 不同熱損傷程度的碳纖維復(fù)合材料試樣外觀

圖5 長為200 mm的碳纖維復(fù)合材料熱損傷試樣外觀

將超聲探頭分別置于完好試樣以及試樣3背面的中心進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 完好試樣及試樣3的超聲檢測結(jié)果

3 不同頻率下熱損傷試樣的渦流阻抗檢測

圖7為不同頻率下不同熱損傷程度試樣的渦流阻抗軌跡(橫縱坐標(biāo)均為相對比值，無量綱，Δω為角頻率的變化量;ω為角頻率;L為電感;L0為線圈在空氣中的電感；R為電阻)，可見碳纖維復(fù)合材料完好試樣與熱損傷試樣的渦流阻抗有明顯差異。頻率為500 kHz時(shí),根據(jù)阻抗軌跡不能有效區(qū)分不同熱損傷程度的試樣。隨著檢測頻率的升高,不同熱損傷程度試樣的渦流阻抗變化軌跡開始可以區(qū)分(2 MHz)；繼續(xù)提高檢測頻率(3.333，5 MHz)，不同熱損傷程度試樣渦流信號的區(qū)分度進(jìn)一步提高。

圖7 不同頻率下不同熱損傷程度試樣的渦流阻抗軌跡

4 距離熱損傷中心不同位置處的渦流阻抗檢測

對圖5所示的試樣進(jìn)行渦流阻抗檢測，檢測頻率分別為2，3.333，5 MHz(由第3節(jié)試驗(yàn)可知，頻率低于2 MHz時(shí)，檢測效果不佳)。試驗(yàn)利用有機(jī)玻璃體來調(diào)節(jié)阻抗平面圖的平衡位置，分別對試樣熱損傷的中心，距熱損傷中心10，30，60，100 mm位置進(jìn)行渦流阻抗軌跡檢測，檢測結(jié)果如圖8所示，可見，隨著距熱損傷中心距離的增加(熱損傷程度逐漸減弱)，阻抗軌跡信號呈規(guī)律變化,且隨頻率的提高，距熱損點(diǎn)不同位置阻抗軌跡的區(qū)分度提高。這一規(guī)律可用于熱損傷點(diǎn)周圍熱損傷程度的判別和區(qū)域劃分。

圖8 不同頻率下距熱損傷中心不同位置處的渦流阻抗軌跡

5 結(jié)語

采用不同檢測頻率對完好試樣和不同熱損傷程度的試樣進(jìn)行渦流阻抗檢測，發(fā)現(xiàn)隨檢測頻率的升高，不同熱損程度試樣信號的區(qū)分度提高，說明渦流阻抗軌跡檢測法可對不同的熱損傷程度進(jìn)行有效識別。對距離熱損傷中心不同位置處的渦流阻抗軌跡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)阻抗軌跡隨距離的增大呈規(guī)律性變化。檢測結(jié)果可用于碳纖維復(fù)合材料熱損傷程度或者熱損傷影響范圍的識別，為碳纖維復(fù)合材料的修理工作提供支持。