鄒大鵬，林奕欽,，葉國(guó)良，范中嵐，張永康，曾呂明，李校智

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006;2. 東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

新型無(wú)機(jī)材料使用氧化物、氮化物、硅化物以及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)過(guò)特殊的先進(jìn)工藝制成，已開(kāi)發(fā)出一系列高溫高強(qiáng)、電子、光學(xué)以及激光、鐵電、壓電等新型無(wú)機(jī)材料，正向著高性能化、高功能化、仿生化、智能化、輕量化、復(fù)合化、低維化等方向發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、電子、激光、紅外等技術(shù)領(lǐng)域。與此同時(shí)，對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料缺陷的無(wú)損檢測(cè)需求越來(lái)越大，也更為迫切。超聲波以不同的傳播速度及衰減特性傳播，從而對(duì)不同狀態(tài)和不同性質(zhì)的無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，成為主要研究方向之一。準(zhǔn)確獲取材料的聲衰減系數(shù)和聲速這兩個(gè)聲學(xué)參數(shù)，有助于為材料性能、材料微觀結(jié)構(gòu)、分層特征、粘結(jié)特性和材料缺陷的檢測(cè)和判斷提供依據(jù)。

本文以無(wú)機(jī)非金屬材料中廣泛使用、潛力巨大的陶瓷材料及復(fù)合材料的超聲檢測(cè)研究為例，分析國(guó)內(nèi)外陶瓷以及復(fù)合材料的超聲檢測(cè)研究現(xiàn)狀，研究本身物理微觀結(jié)構(gòu)和缺陷與超聲特性參數(shù)之間的關(guān)系，探討超聲檢測(cè)在陶瓷和復(fù)合材料領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向，為推動(dòng)超聲無(wú)損檢測(cè)的研究和發(fā)展以及對(duì)陶瓷和復(fù)合材料的檢測(cè)提供借鑒。

1 超聲無(wú)損檢測(cè)原理與方法

無(wú)機(jī)非金屬材料超聲檢測(cè)是利用與被測(cè)介質(zhì)特性和狀態(tài)有關(guān)的非聲學(xué)量和描述介質(zhì)聲學(xué)的超聲量之間存在的關(guān)系，通過(guò)獲取超聲檢測(cè)參數(shù)來(lái)分析和反演介質(zhì)的特性和狀態(tài)。超聲波在介質(zhì)傳播的強(qiáng)度損失主要包括[1]：1）由于聲波在傳播過(guò)程中不斷擴(kuò)展導(dǎo)致的擴(kuò)展損失；2）由于介質(zhì)存在粘滯、熱傳導(dǎo)以及其他馳豫過(guò)程引起的聲強(qiáng)衰減的吸收損失；3）介質(zhì)中非均勻性造成的聲散射損失。其中，聲散射與聲吸收導(dǎo)致的聲衰減主要取決于介質(zhì)本身，是超聲檢測(cè)著重關(guān)注的影響因素。

2 陶瓷材料超聲波檢測(cè)研究

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、比重小等優(yōu)良性能，應(yīng)用前景廣泛。其具有如下特征：1）脆性大，韌性很低；2）微小的缺陷易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞；3）在相同的工藝條件下，不同零件的強(qiáng)度差異很大。利用微觀結(jié)構(gòu)和理想力學(xué)性能的關(guān)系，建立超聲聲學(xué)特性參數(shù)與材料微觀結(jié)構(gòu)和材料性能的聯(lián)系，從聲學(xué)特性參數(shù)來(lái)評(píng)估材料物理特性，是陶瓷材料超聲檢測(cè)的基礎(chǔ)。

2.1 基于聲衰減的陶瓷物理特性超聲檢測(cè)研究

聲衰減與陶瓷材料的密度、孔隙微觀物理結(jié)構(gòu)以及檢測(cè)頻率的關(guān)系明確。超聲波散射理論證明不同頻率超聲波在不同微觀結(jié)構(gòu)和不同材料密度的陶瓷中傳播具有不同的散射機(jī)理[4]。陶瓷材料聲衰減與頻率具有非常高的相關(guān)性[5]；并且呈現(xiàn)密度越大衰減越大的特性[6-7]。如表1所示，陶瓷密度是重要的參數(shù)之一，建立衰減與密度的關(guān)系模型，通過(guò)超聲檢測(cè)反演，可以實(shí)現(xiàn)制作陶瓷時(shí)預(yù)估陶瓷密度。

表1 陶瓷材料物理特性與聲衰減的關(guān)系

2.2 基于聲速的陶瓷材料物理特性超聲檢測(cè)研究

陶瓷材料物理特性與聲速的關(guān)系如表2所示。其中，聲速與孔隙率滿足較好的線性關(guān)系。陶瓷材料在低孔隙率時(shí)，孔隙形狀主要為球形且大部分相互獨(dú)立，在高孔隙率時(shí)，則為圓柱形且大部分相互聯(lián)系[9]，因此在低孔隙率情況下，得到的擬合曲線精度較高[10]；在高孔隙率情況下，得到的擬合曲線精度較低[11-12]，這表明孔隙形狀對(duì)聲速的影響不可忽略。結(jié)合Mori-Tanaka[11]理論模型，扁球形孔隙比球形孔隙對(duì)聲速的影響更明顯[12]。

表2 陶瓷材料物理特性與聲速的關(guān)系

以上研究表明：1）基于孔隙單一物理參數(shù)的研究很多，但考慮多個(gè)物理參數(shù)與超聲波速度之間關(guān)系的研究較少；2）孔隙形態(tài)的表征方法存在差異，缺乏一致的標(biāo)準(zhǔn)。

借助于高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，對(duì)聲速與材料的各項(xiàng)物理參數(shù)關(guān)系進(jìn)行多參數(shù)、多水平、系統(tǒng)性的分析，以及研究不同形狀缺陷孔隙的影響特性，有助于推動(dòng)全面認(rèn)知各個(gè)物理量之間的相互關(guān)系和對(duì)聲速的影響特性；并且通過(guò)結(jié)合日益提高的檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)展仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的相互優(yōu)化和驗(yàn)證，更好地推動(dòng)高精度聲速反演陶瓷材料物理特性參數(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

3 復(fù)合材料的超聲波檢測(cè)研究

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高彈性模量和高強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、現(xiàn)代車輛和輕型結(jié)構(gòu)中。近年來(lái)，高效探測(cè)復(fù)合材料需求推動(dòng)了超聲波檢測(cè)的發(fā)展，逐步建立聲衰減法、聲速法與復(fù)合材料各項(xiàng)微觀物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確關(guān)系，推動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和超聲成像。

3.1 基于聲衰減的碳纖維復(fù)合材料物理特性超聲檢測(cè)研究

由于碳纖維復(fù)合材料試樣參數(shù)的多樣性，推導(dǎo)出聲衰減與碳纖維復(fù)合材料的微觀物理參數(shù)的數(shù)學(xué)模型具有多種類型。其中，孔隙率被認(rèn)為是影響剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和彈性模量等最重要的參數(shù)之一。聲衰減與孔隙率的關(guān)系通常為二次多項(xiàng)式，如表3所示。

表3 碳纖維復(fù)合材料復(fù)合微觀物理參數(shù)與聲衰減的數(shù)學(xué)計(jì)算模型

碳纖維復(fù)合材料聲衰減的影響因素主要有檢測(cè)頻率、樹(shù)脂的類型、碳纖維和孔隙的形狀、大小和分布情況等[19]；在孔隙處于某個(gè)臨界值時(shí)，其擬合曲線誤差會(huì)發(fā)生較大變化[15-16]；由于不同復(fù)合材料有不同的衰減系數(shù)，使得臨界值有所不同[22]；孔隙率＞4%時(shí)，聲衰減與孔隙率的關(guān)系可簡(jiǎn)化為二次型曲線[23]，此時(shí)孔隙率和孔隙形態(tài)對(duì)聲衰減起到主導(dǎo)作用；如果綜合考慮碳纖維復(fù)合材料孔隙形狀、大小與分布的因素，則能提高計(jì)算模型的精度。

表3表明基于聲衰減法的復(fù)合材料檢測(cè)已經(jīng)有了較好的數(shù)學(xué)模型，但因模型的影響因子多，計(jì)算復(fù)雜，其準(zhǔn)確性和應(yīng)用場(chǎng)合有待于提高，需要簡(jiǎn)化形式，以便更實(shí)用。

因此，可以嘗試參考多孔隙介質(zhì)模型的簡(jiǎn)化過(guò)程，運(yùn)用等效模型的方法，將多種參數(shù)等效成易于獲取的孔隙率和增強(qiáng)纖維含量的表達(dá)形式，提出模型簡(jiǎn)單、參數(shù)少、通用性強(qiáng)的聲衰減模型，探索簡(jiǎn)易可行模型計(jì)算、反演的檢測(cè)方法，從而應(yīng)用于工程實(shí)際[24]。也可以嘗試采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、深度學(xué)習(xí)算法等，構(gòu)建訓(xùn)練模型，建立專家?guī)?，提高超聲檢測(cè)預(yù)測(cè)和反演的準(zhǔn)確性。

3.2 基于聲速的碳纖維復(fù)合材料物理特性超聲檢測(cè)研究

碳纖維復(fù)合材料的物理特性孔隙率和增強(qiáng)纖維含量對(duì)聲速影響較大，通常與聲速呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，如表4所示。在各向同性的彈性復(fù)合材料中，當(dāng)孔隙率從0升到5%時(shí)，縱波速度下降了約6%，表明縱波聲速對(duì)孔隙率并不敏感[25]。當(dāng)復(fù)合材料中含有樹(shù)脂時(shí)，縱波速度相比橫波速度變化更為敏感，這一定程度上表明正交各向異性材料對(duì)聲波的傳播影響存在差異[26]。

表4 碳纖維復(fù)合材料物理特性與聲速的關(guān)系

廣義色散關(guān)系式（K-K關(guān)系）[30]可用衰減系數(shù)計(jì)算出相應(yīng)相速度，進(jìn)而研究相速度的色散特性[27]。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料的孔隙率大于0.08%～0.1%時(shí)，相速度受到色散作用明顯[31]。當(dāng)超聲波波長(zhǎng)與孔隙是同一量級(jí)時(shí)，不但會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，而且衰減與相速度之間存在負(fù)相關(guān)[28]。隨著檢測(cè)頻率增大，由孔隙引起的散射干擾也會(huì)增大，因此，在借助聲速檢測(cè)分析技術(shù)的同時(shí)，配合其他物理性質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)，彌補(bǔ)聲速法對(duì)復(fù)合材料反映微弱的缺點(diǎn)，仍是一個(gè)有潛力的研究方向[32]。

4 無(wú)機(jī)非金屬材料缺陷的超聲檢測(cè)研究

4.1 陶瓷材料缺陷的超聲檢測(cè)研究

在航天航空、精密機(jī)械、石油化工、國(guó)防科技等領(lǐng)域?qū)μ沾刹牧弦缶哂懈呖煽啃?、高?qiáng)度、強(qiáng)耐磨損性及高化學(xué)穩(wěn)定性等。由此，對(duì)陶瓷材料缺陷的檢測(cè)非常重要。陶瓷材料缺陷超聲檢測(cè)是對(duì)材料聲學(xué)特性和物理特性充分研究清楚的基礎(chǔ)上，對(duì)于異常孔隙或異常雜質(zhì)的研究。陶瓷材料缺陷的超聲檢測(cè)如表5所示。超聲波無(wú)損檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)微小缺陷（80～100 μm）的檢測(cè)[33]，當(dāng)缺陷與波長(zhǎng)之比非常小時(shí)，缺陷表現(xiàn)出球面波的特性，因此能以較低頻率檢測(cè)微小缺陷[34]。綜合考慮陶瓷材料缺陷的大?。?0～60 μm）與檢測(cè)頻率的關(guān)系，常用檢測(cè)頻率為1～100 MHz[35]。在陶瓷檢測(cè)應(yīng)用中，超聲波利用反射波檢測(cè)陶瓷缺陷應(yīng)滿足缺陷尺寸＞檢測(cè)波長(zhǎng)＞m×平均粒徑（m=2～4）的條件[36]。

表5 陶瓷材料缺陷的超聲檢測(cè)

陶瓷缺陷檢測(cè)以檢測(cè)出陶瓷材料中的缺陷改變沒(méi)有缺陷時(shí)超聲波正常的傳播路徑、方式、特性而導(dǎo)致的差異特征作為研究基礎(chǔ)。目前存在主要問(wèn)題為：陶瓷材料的缺陷微小，有時(shí)與正常的結(jié)構(gòu)或者孔隙相當(dāng)，需要較高的分辨率；同時(shí)較高的分辨率又會(huì)導(dǎo)致散射的加強(qiáng)，多途路徑的波形交錯(cuò)，增加了分析的復(fù)雜性。雖然在低頻情況下，可利用缺陷對(duì)入射波散射呈現(xiàn)球面波特性，通過(guò)檢測(cè)缺陷散射的回波來(lái)檢測(cè)缺陷的位置和大小，但散射回波信號(hào)微弱，其精度仍有待進(jìn)一步研究。而且陶瓷材料中微小的缺陷與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷的區(qū)別，以及微小缺陷在標(biāo)準(zhǔn)陶瓷中如何影響超聲波的傳播機(jī)理仍然是有待于深入研究的內(nèi)容之一。

4.2 碳纖維復(fù)合材料缺陷的超聲檢測(cè)研究

碳纖維復(fù)合材料中常見(jiàn)的缺陷種類有孔隙、分層、夾雜、纖維彎曲、富脂或貧脂，其失效引起的缺陷通常表現(xiàn)為基體裂紋、纖維斷裂、纖維界面結(jié)合不良和纖維缺層等。碳纖維復(fù)合材料缺陷的超聲檢測(cè)特性如表6與表7所示。

表6 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）缺陷的傳統(tǒng)超聲檢測(cè)特性

表7 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）缺陷的先進(jìn)超聲檢測(cè)特性

圖1 碳纖維復(fù)合材料的微小孔隙的高頻超聲（50 MHz）超聲C掃描結(jié)果[42]

通過(guò)以上分析，針對(duì)碳纖維復(fù)合材料采用的超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。以上分析表明：1）超聲相控陣列檢測(cè)精度高、靈活性好，但檢測(cè)參數(shù)復(fù)雜、聲束控制困難導(dǎo)致對(duì)檢測(cè)對(duì)象的材料和結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較低?？梢越Y(jié)合光追技術(shù)，人工智能識(shí)別[48-49]等計(jì)算機(jī)智能技術(shù)，基于判別不同材料和結(jié)構(gòu)自適應(yīng)生成合適的超聲相控陣檢測(cè)參數(shù)，推進(jìn)相控陣技術(shù)應(yīng)用和普及；2）空氣耦合超聲相比常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)不需要耦合介質(zhì)，缺陷判別方式簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但空耦換能器中心頻率低，橫向和縱向分辨率低，所以一般采用透射法針對(duì)薄壁零件和低阻抗材料進(jìn)行檢測(cè)?？梢匝邪l(fā)具有較好阻抗匹配性質(zhì)的空氣耦合換能器提高使用范圍，借鑒超聲相控陣技術(shù)，開(kāi)發(fā)多通道、多頻率的空氣耦合新方法提高空氣耦合超聲的效率和精度；3）激光超聲具有遠(yuǎn)距離、非接觸、高分辨等優(yōu)點(diǎn)，但檢測(cè)質(zhì)量易受激光波長(zhǎng)、功率、檢測(cè)對(duì)象表面粗糙度，激光干涉儀靈敏度、外界環(huán)境等因素影響，同時(shí)，相比傳統(tǒng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)，激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)成本較高?？梢酝ㄟ^(guò)研制高速脈沖激光器和高靈敏度干涉儀，同時(shí)借鑒超聲相控陣形成多通道多波長(zhǎng)多頻率激光超聲相控陣，提高檢測(cè)精度和效率。

圖2 CFRP沖擊損傷超聲相控陣C掃描結(jié)果[44]

圖3 CFRP的空氣耦合激光超聲對(duì)比超聲相控陣C掃描結(jié)果圖[46]

圖4 CFRP的激光超聲C掃描結(jié)果圖[47]

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有的無(wú)機(jī)非金屬超聲檢測(cè)方法中，聲衰減法判斷材料的物理微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)有效，從宏觀角度評(píng)估材料微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)明顯，但因孔隙形態(tài)形成機(jī)理的復(fù)雜性以及不規(guī)則性，使得衰減法在精確評(píng)估材料孔隙特征時(shí)具有難度。聲速法對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的形狀如孔隙形態(tài)有減弱干擾作用，使得其在判斷材料物理微觀結(jié)構(gòu)時(shí)具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是要求其檢測(cè)系統(tǒng)足夠精密、檢測(cè)環(huán)境干擾足夠小。

隨著智能輕型產(chǎn)品和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展需求，越來(lái)越多的非金屬材料應(yīng)用到工業(yè)和生活中，成為產(chǎn)品。鑒于無(wú)機(jī)非金屬材料中陶瓷材料的微孔隙、碳纖維復(fù)合材料的復(fù)雜性，為了提高非金屬材料的質(zhì)量和性能的無(wú)損、自動(dòng)、高效、準(zhǔn)確檢測(cè)，有必要推動(dòng)以下聲學(xué)檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)研究：

1）增強(qiáng)仿真分析技術(shù)的推廣應(yīng)用，結(jié)合多物理場(chǎng)的仿真分析，深入分析無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)、組成、屬性與聲學(xué)特性參數(shù)之間的關(guān)系，明晰對(duì)超聲傳播的影響機(jī)制，建立物理與力學(xué)參數(shù)和聲學(xué)特性參數(shù)的簡(jiǎn)便關(guān)系式；

2）開(kāi)發(fā)各種條件下的可控實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，基于可控參數(shù)實(shí)驗(yàn)分析，探尋無(wú)機(jī)非金屬材料的聲學(xué)特性與物理微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的表象和本質(zhì)關(guān)系；

3）推動(dòng)超聲檢測(cè)三維成像技術(shù)，結(jié)合聲衰減法和聲速法，無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)、孔隙、缺陷等表面、內(nèi)部、貼合界處等的結(jié)構(gòu)超聲成像，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)與自動(dòng)化識(shí)別。

4）將機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能等融入超聲波產(chǎn)品性能和缺陷檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高智能化和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。

5）推動(dòng)先進(jìn)超聲檢測(cè)包括超聲相控陣列超聲、空氣耦合超聲、激光空氣耦合超聲和激光超聲的結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能標(biāo)定、自動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃一體化的自動(dòng)化檢測(cè)，基于多聲束發(fā)射與接收、全聚焦等提高先進(jìn)超聲檢測(cè)精度和效率等。