方周倩，苗沛源，金肖克，祝成炎,2，田 偉,2

(1.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院)，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是指以碳纖維作為增強(qiáng)相、樹(shù)脂作為基體通過(guò)熱壓或真空灌注等加工方式得到的復(fù)合材料[1]，其具有優(yōu)良的耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等性能[2]，同時(shí)，因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域[3]，但在復(fù)合材料的加工成形過(guò)程中，由于制備工藝的復(fù)雜性及環(huán)境控制等一系列不確定因素，材料容易出現(xiàn)孔洞、分層、夾雜等缺陷，在服役過(guò)程中，因?yàn)槭芾炝?、沖擊力等影響，在材料內(nèi)部很可能出現(xiàn)不可見(jiàn)損傷。這些缺陷影響了材料的質(zhì)量和使用過(guò)程的安全性[4-6]，但若在不確定損傷存在情況下貿(mào)然替換材料會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本增加；因此，采取非破壞的手段對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)確定材料的可靠性、提高材料的安全性、降低成本十分必要。

超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)是一種將超聲檢測(cè)與微機(jī)控制和微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、圖像顯示集合在一起的技術(shù)[7]，能夠給出圖像化的檢測(cè)結(jié)果，可直觀顯示被檢測(cè)工件在某一深度范圍內(nèi)的缺陷信息，使缺陷的定量、定性、定位更加準(zhǔn)確，減少了缺陷檢測(cè)不準(zhǔn)確、遺漏等情況的發(fā)生[8-9]。周正干等[10]利用激光超聲C掃描檢測(cè)CFRP鉆孔試樣，表明該技術(shù)能夠應(yīng)用于鉆孔分層檢測(cè)問(wèn)題；魏瑩瑩等[11]提出了基于高頻超聲掃描顯微鏡分析CFRP加工孔的分層缺陷，結(jié)果顯示該測(cè)試手段可表征分層特征；程志義等[12]利用C掃描圖像對(duì)釬焊接頭尺寸的實(shí)際測(cè)量值與超聲檢測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比研究，研究表明二者的絕對(duì)誤差不大于0.11 mm；Santos等[13]使用不同方法評(píng)估了復(fù)合材料層壓板經(jīng)低速?zèng)_擊后的超聲掃描圖像，并與空氣耦合系統(tǒng)獲得的圖像進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示不同的方法都能檢測(cè)到缺陷，但空氣耦合超聲波受頻率限制，空間分辨率低，而水浸掃查可忽略由于空氣導(dǎo)致的聲學(xué)損失問(wèn)題；呂明等[14]采用自動(dòng)化水浸式超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋁合金鑄造缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位，但未對(duì)缺陷尺寸大小進(jìn)行研究。

綜上所述，超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)在紡織復(fù)合材料、鍛件、焊接接頭等檢測(cè)上均有所涉及，在CFRP孔洞損傷檢測(cè)方面主要對(duì)制孔工藝導(dǎo)致的分層缺陷進(jìn)行了特征分析，關(guān)于孔洞缺陷定量檢測(cè)分析及其圖像特征研究較少，因此，本文利用該技術(shù)對(duì)CFRP不同大小孔洞及分層缺陷檢測(cè)圖像做了進(jìn)一步研究，探究了孔洞邊緣對(duì)缺陷圖像顯示的影響、缺陷檢測(cè)面積與實(shí)際面積的關(guān)系及存在差異的原因，對(duì)該技術(shù)的優(yōu)化和在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方面的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)原理

超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)是指利用脈沖發(fā)生器將電脈沖轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)入試件，經(jīng)歷反射、折射等損耗后再由數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜信號(hào)的處理和成像的技術(shù)[15]。由于聲波穿過(guò)聲阻抗不同的介質(zhì)會(huì)發(fā)生不同程度的反射或折射，能量會(huì)衰減[16]，反射波形也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此該技術(shù)可根據(jù)能量幅值和反射波形的變化來(lái)分析評(píng)定缺陷。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：厚度0.15 mm的T300預(yù)浸料(二上一下斜紋組織，織物經(jīng)緯密均為49 根/(10 cm)，威海光威復(fù)合材料股份有限公司；環(huán)氧樹(shù)脂AB膠，上海奧屯化工科技有限責(zé)任公司。

試樣制備：由6 層T300織物預(yù)浸料和環(huán)氧樹(shù)脂AB膠通過(guò)(0°/90°)模壓成型工藝復(fù)合加工制得的碳纖維復(fù)合材料板(昌盛碳纖維制品廠)，該板材的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為95.6%。將該復(fù)合材料板加工成孔洞試件，試件尺寸為300 mm×200 mm×1 mm，孔洞分布如圖1所示，圖中Φ為孔洞直徑。

注：數(shù)值單位為mm。

儀器：Ultrapac型超聲水浸掃查系統(tǒng)(美國(guó)物理聲學(xué)公司)，JSM-5610型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)，頻率分別為1 MHz和10 MHz的平直型和聚焦型探頭(OLYMPUS有限公司)，金剛石帶鋸精密切磨系統(tǒng)(德國(guó)EXAKT公司)，VB-715型數(shù)控機(jī)床(杭州友佳精密機(jī)械有限公司)。

2.2 CFRP孔洞缺陷檢測(cè)

首先利用制孔工藝按圖1所示的孔洞圖紙加工試件，然后使用超聲水浸掃查系統(tǒng)和1 MHz平直型探頭、10 MHz聚焦型探頭分別對(duì)試件進(jìn)行穿透法和反射法的超聲波C掃描。接著利用掃描電子顯微鏡觀察孔洞邊緣的分層缺陷情況，最后對(duì)掃描照片、數(shù)據(jù)及電鏡照片進(jìn)行分析。

本文檢測(cè)掃描參數(shù)分別為：模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化(A/D)延遲為31.5 μs，A/D增益為6.5 dB，A/D寬度為11.5 μs，采樣率為100 MHz，同步門(mén)檻為55.3，門(mén)檻寬度為5.653 μs，門(mén)檻開(kāi)始為35.453 μs。

3 結(jié)果分析

3.1 CFRP孔洞試件穿透法檢測(cè)圖像分析

圖2示出穿透法得到的CFRP孔洞試件C掃描圖，圖中0%～100%指的是能量幅值。

圖2 CFRP孔洞試件C掃描圖

由圖2可知，該系統(tǒng)可檢測(cè)出直徑為2～12 mm的孔洞缺陷，而且可看到孔洞缺陷圖像呈現(xiàn)同心圓狀，這是由于超聲波掃描過(guò)程中，超聲波波束受到孔洞邊緣影響從而發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，使得能量下降明顯，圖像顏色呈藍(lán)綠色。當(dāng)孔洞直徑大于 9 mm 時(shí)，掃描圖像中心開(kāi)始出現(xiàn)橙色和紅色區(qū)域，能量明顯上升，說(shuō)明孔洞直徑大于9 mm時(shí)，孔洞邊緣對(duì)缺陷中心的影響降低直至消失，圖像同心圓中紅色區(qū)域即代表能量幅值為100%，如圖2(b)所示。主要原因是由于平直型探頭的波束寬度小于孔徑大小，發(fā)射探頭所發(fā)射的波束可直接穿過(guò)孔洞被接收探頭接收，能量未發(fā)生損耗。

3.2 CFRP孔洞缺陷聚類分析

為更好地評(píng)價(jià)缺陷檢測(cè)面積與實(shí)際面積的關(guān)系，本文進(jìn)一步對(duì)掃描圖像進(jìn)行了聚類分析，分區(qū)域?qū)D像中直徑為2、4、6、8、10和12 mm的缺陷尺寸進(jìn)行了聚類統(tǒng)計(jì)，并對(duì)該直徑范圍內(nèi)的孔洞缺陷檢測(cè)面積與實(shí)際面積進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，可得到擬合方程式：y=5.77x2+0.096x-0.69，其中：R2=0.998，x為缺陷的檢測(cè)面積，y為缺陷的實(shí)際面積。

圖3示出不同直徑的孔洞經(jīng)超聲波掃描后得到的缺陷檢測(cè)面積與實(shí)際面積的統(tǒng)計(jì)圖。

圖3 CFRP孔洞缺陷檢測(cè)面積與實(shí)際面積統(tǒng)計(jì)圖

由圖3可看出，不同直徑孔洞經(jīng)超聲波檢測(cè)得到的缺陷面積明顯不同，隨著孔洞直徑的增大，缺陷的檢測(cè)面積也變大，二者存在倍數(shù)關(guān)系。分析擬合方程式和圖3可知，孔洞缺陷的檢測(cè)面積與實(shí)際面積之間存在差異，孔洞直徑越小，二者間差異越大，隨著直徑的增大，該差異逐漸變小，這是由于孔洞邊緣的存在使得超聲波在接近邊緣時(shí)能量就發(fā)生衰減，且孔洞直徑越小，邊緣效應(yīng)對(duì)其影響越大。結(jié)果表明，在使用頻率為 1 MHz 平直型探頭掃描時(shí)，由于波束寬度的存在，會(huì)使缺陷檢測(cè)面積比實(shí)際面積大，隨著孔洞直徑的增大，波束透過(guò)率增大，二者差距減小。

3.3 CFRP分層缺陷反射法檢測(cè)波形圖分析

圖4、5分別示出超聲波C掃描反射法得到的無(wú)缺陷情況時(shí)的波形圖和有分層缺陷情況時(shí)的波形圖。圖4(a)、5(a)分別為試樣無(wú)缺陷處和有缺陷處取樣點(diǎn)圖(分別為A、B點(diǎn))，圖4(b)、5(b)分別為A、B點(diǎn)處試樣顯示的波形情況。

圖4 無(wú)缺陷情況時(shí)的波形圖

圖5 有分層缺陷情況時(shí)的波形圖

對(duì)比分析圖4、5可知，當(dāng)沒(méi)有缺陷存在時(shí)，低波高度達(dá)到65%左右，而當(dāng)孔洞邊緣存在缺陷時(shí)，由于探頭發(fā)射超聲波，檢測(cè)到表面波后，受缺陷的影響波束散射嚴(yán)重，使射達(dá)底面的聲能減少，此時(shí)低波高度下降至20%以下，相較沒(méi)有缺陷時(shí)，該底波高度下降明顯。孔洞邊緣存在缺陷是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料屬于層合材料，在制孔過(guò)程中，由于受到鉆頭向下的作用力，導(dǎo)致纖維層發(fā)生分離，從而產(chǎn)生了分層缺陷。結(jié)果顯示，鉆孔工藝會(huì)使碳纖維復(fù)合材料孔洞邊緣產(chǎn)生分層缺陷，且超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)出孔洞邊緣的分層缺陷。

3.4 CFRP分層缺陷掃描電鏡照片分析

圖6示出CFRP孔洞截面的掃描電照片。觀察圖6(a)可發(fā)現(xiàn)，孔洞邊緣存在斷斷續(xù)續(xù)的分層現(xiàn)象，增加放大倍數(shù)觀察，可看到分層部分的纖維層被拉起，碳纖維復(fù)合板中間出現(xiàn)了空氣層，如圖6(b)、(c)、(d)所示。掃描電鏡結(jié)果與超聲波C掃描檢測(cè)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了制孔工藝使原本致密的碳纖維復(fù)合材料出現(xiàn)層與層脫離現(xiàn)象，進(jìn)一步證明了超聲波C掃描檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)分層缺陷。

圖6 CFRP孔洞截面的掃描電鏡照片

3 結(jié) 論

本文利用超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)，對(duì)直徑為2～12 mm 的CFRP孔洞缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，取得了如下結(jié)論。

1)超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出直徑為2～12 mm的CFRP孔洞缺陷，不同孔徑的孔洞缺陷呈現(xiàn)出的圖像效果不同，且在該直徑范圍內(nèi)，孔洞缺陷的檢測(cè)面積與實(shí)際面積呈倍數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為：y=5.77x2+0.096x-0.69，R2=0.998。這是由于波束寬度的存在，隨著孔洞直徑增大，波束透過(guò)率變大，能量損耗減小，缺陷的檢測(cè)面積與實(shí)際面積的差距也減小。

2)鉆孔工藝會(huì)對(duì)碳纖維復(fù)合材料孔洞邊緣產(chǎn)生分層缺陷，利用超聲波C掃描成像檢測(cè)技術(shù)能有效檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料板的分層缺陷。