付宗周

(天津波音復(fù)合材料有限責(zé)任公司,天津 300451)

孔隙是復(fù)合材料層壓板成形過程中在表面和內(nèi)部形成的密集分布的微小氣孔,是對(duì)復(fù)合材料使用性能有較大影響的常見缺陷。研究表明,無論何種樹脂,何種纖維與纖維表面處理方式,當(dāng)孔隙率小于1.5%時(shí),孔隙大致為球形,直徑在數(shù)微米至數(shù)百微米不等;當(dāng)孔隙率大于1.5%時(shí),孔隙一般為柱形,多與纖維軸向平行,且尺寸更大些[1]。碳纖維復(fù)合材料表面及內(nèi)部顯微照片如圖1所示?？紫兑话惴譃閱卫w孔隙(包括纖維內(nèi)孔隙)和層板孔隙[3]。

復(fù)合材料中孔隙的存在會(huì)使材料的力學(xué)性能下降,從而造成內(nèi)部應(yīng)力集中,引發(fā)分層等更加嚴(yán)重的缺陷,給材料的使用壽命帶來很大影響[1]。

由于孔隙尺寸微小、形狀復(fù)雜、分布密集且數(shù)量眾多,故難以對(duì)單個(gè)或多個(gè)逐一測量。在工程上,通常用孔隙率來描述孔隙類缺陷的密集嚴(yán)重程度,即孔隙率是評(píng)價(jià)樹脂基碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量的重要定量指標(biāo)之一。復(fù)合材料孔隙率通常有兩種定義方法:面積孔隙率和體積孔隙率。面積孔隙率是指復(fù)合材料單位面積中所含孔隙面積的百分比;體積孔隙率是指復(fù)合材料單位體積中所含孔隙體積的百分比[1]。工程實(shí)踐中,孔隙率通常指體積孔隙率。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,在某一體積內(nèi),當(dāng)面積孔隙率統(tǒng)計(jì)的次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后,所有面積孔隙率之和的平均值可近似為體積孔隙率。在工程上,對(duì)于大多數(shù)復(fù)合材料來說,當(dāng)孔隙率小于1%～2%時(shí)可以忽略不計(jì),而2%通常為許多碳纖維復(fù)合材料部件不能接受的閾值。

復(fù)合材料孔隙率的檢測方法分為兩類:破壞性檢測方法和無損檢測方法。破壞性檢測方法主要有密度測量法、吸水法、酸溶解法、顯微照相法等,其中使用最多的是顯微照相法。破壞性檢測方法主要用于復(fù)合材料試驗(yàn)件或隨爐試件局部取樣樣品的2%孔隙率驗(yàn)證,尤其是局部取樣部位有厚度超差、目視異常、超聲檢測異常區(qū)域,或其他典型結(jié)構(gòu)區(qū)域。由于破壞性檢測方法是測量試驗(yàn)件的局部孔隙率值,并不能完全如實(shí)反映整個(gè)試件的質(zhì)量,且在檢測后試件受到破壞而無法正常使用,因此破壞性檢測方法不經(jīng)濟(jì),不適用于實(shí)際零件[2]。

無損檢測方法能在不損壞零件的條件下對(duì)碳纖維復(fù)合材料制件的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行100%檢測,能如實(shí)地反映被測試件上每一區(qū)域孔隙率的分布狀況,因此越來越受到人們的重視和推廣,具有破壞性檢測方法不可替代的優(yōu)越性。有多種無損檢測方法可以用來檢測孔隙率,如射線檢測、紅外線檢測、超聲檢測等,但目前常用的方法是超聲檢測法[2]。開發(fā)超聲檢測和評(píng)價(jià)技術(shù)來檢測和控制復(fù)合材料層壓板2%孔隙率超標(biāo)缺陷成為了無損檢測的研究課題。

1 超聲檢測原理、試塊與方法

1.1 超聲檢測原理

復(fù)合材料層壓板孔隙率超聲檢測的基本原理是超聲波衰減量測量法[1,4]。復(fù)合材料超聲檢測時(shí),超聲波衰減主要由以下幾個(gè)方面組成:傳聲介質(zhì)引起的衰減、不同介質(zhì)界面間的衰減、材料本身對(duì)超聲波的衰減。材料本身引起超聲衰減的主要因素有:樹脂基體的黏性影響、材料的非均勻性及孔隙等。由孔隙引起的超聲衰減量與孔隙大小、形狀、分布有關(guān)。一旦碳纖維復(fù)合材料的制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化和超聲檢測工藝標(biāo)準(zhǔn)化以后,那么復(fù)合材料本身異常引起的超聲衰減變化就成了主要因素。檢測并建立層壓板結(jié)構(gòu)中孔隙引起的超聲衰減量與孔隙率之間的關(guān)系可對(duì)碳纖維復(fù)合材料的孔隙率進(jìn)行評(píng)估,其是一種間接評(píng)定孔隙率的方法?？紫堵食暀z測時(shí),需要制作一系列孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊,然后用超聲檢測設(shè)備檢測孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊獲得檢測數(shù)據(jù),再通過分析數(shù)據(jù)建立孔隙率與超聲信號(hào)衰減量之間的關(guān)系,來確定不同等級(jí)孔隙率的判定閾值,在檢測實(shí)際零件時(shí)應(yīng)用此閾值就能將不同等級(jí)孔隙率超標(biāo)缺陷檢測出來。

超聲檢測具有穿透能力強(qiáng)、方向性好、靈敏度高、對(duì)人體無害、效率高等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于分層、脫膠、孔洞、外來物等缺陷都可進(jìn)行檢測,已成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)最常用的無損檢測方法[1]。特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,超聲C掃描檢測系統(tǒng)具有將超聲波幅衰減在C掃描圖上以顏色灰度變化表示出來,利于進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。常見復(fù)合材料孔隙率超聲檢測評(píng)價(jià)方法比較如表1表示。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)試塊制備與認(rèn)定

碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊套組是一系列具有不同厚度層數(shù)和不同孔隙率等級(jí)的小面積碳纖維復(fù)合材料平面層壓板,其實(shí)物如圖2所示。碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊要求:形狀一般為方形或近似方形;不同厚度層數(shù),一般取8層倍數(shù)的厚度;面積足夠大,一般不小于4 in.×4 in.(長×寬)(1 in.=25.4 mm);孔隙分布均勻性好;相同厚度鋪層數(shù)的試塊間有不同的孔隙率梯度;0%孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊孔隙率必須足夠小:①厚度為0.12 in.或更小的標(biāo)準(zhǔn)試塊孔隙率必須小于0.3%;②厚度大于0.12 in.,但不大于0.24 in.的標(biāo)準(zhǔn)試塊孔隙率必須小于0.2%;③厚度大于0.24 in.的標(biāo)準(zhǔn)試塊孔隙率必須小于0.1%。0%孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊表面狀態(tài)與實(shí)際零件表面狀態(tài)一致,預(yù)浸料材料一致,固化工藝一致;標(biāo)識(shí)清楚。碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊套組是采用特殊的工藝控制法(調(diào)整固化參數(shù)或在層間噴灑合適的介質(zhì)或控制水分含量等)制造的。

圖2 典型碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊套組

采用顯微照相法對(duì)碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊套組進(jìn)行孔隙率標(biāo)定:采用超聲C掃描檢測判斷所制作試塊板料孔隙分布的均勻性,篩選出孔隙均勻的試塊板料區(qū)域;將篩選出的試塊板料區(qū)域切割下來作為初選試塊;對(duì)初選試塊的四側(cè)緊鄰區(qū)域取樣;對(duì)所取樣塊緊鄰該初選試塊的橫截面用60#砂紙粗磨,所磨的橫截面應(yīng)含有與橫截面垂直的纖維,磨平后,再用1 500#砂紙細(xì)磨,待無明顯劃痕時(shí),對(duì)該初選試塊橫截面用絨布和粒度為1.5μm的拋光膏進(jìn)行拋光至表面光潔且無任何明顯劃痕為止,當(dāng)使用顯微鏡以40倍放大率觀察時(shí),不應(yīng)該有來自切割或拋光操作造成的可見物。再進(jìn)行顯微鏡觀察,評(píng)定出該初選試塊橫截面的孔隙率含量的估計(jì)值:在10倍或更高倍的放大率下拍照,并量化孔隙率含量;孔隙率測量應(yīng)以全層厚度或(0.2±0.05)in.的寬度為基礎(chǔ)。顯微鏡照相測定的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊橫截面上的內(nèi)部孔隙分布狀態(tài)和孔隙率如圖3所示。如此反復(fù),直至制造篩選出符合要求的碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊套組。

圖3 顯微鏡照相測定的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊橫截面上的內(nèi)部孔隙分布狀態(tài)和孔隙率

1.3 標(biāo)準(zhǔn)試塊套組的超聲穿透法C掃描檢測

(1) 檢測設(shè)備與檢測參數(shù)

孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊套組:孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊(BMS8-256編織布)H 套;檢測設(shè)備:AUSS V 超聲波自動(dòng)噴水穿透C掃描系統(tǒng),九軸,可進(jìn)行曲面跟蹤掃描(見圖4);探頭: 頻率為5 MHz,直徑為0.75 in.,焦距為3 in.;噴嘴直徑:0.187 in.;掃描步進(jìn):0.12 in.;數(shù)據(jù)采集間距:0.04 in.;掃描速度:20 in./s;表面水柱距離:2 in.;C掃描圖像評(píng)價(jià)軟件:Imagin。

圖4 AUSS V 超聲波自動(dòng)噴水穿透C掃描系統(tǒng)

(2) 檢測實(shí)施

采用多功能零件裝夾車,將孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊以便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃描的最佳姿態(tài)固定在掃描設(shè)備的掃描區(qū)域中,裝夾重復(fù)精度高。且確保其位于超聲C掃描系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)?？紫堵蕵?biāo)準(zhǔn)試塊應(yīng)按厚度層數(shù)增加和孔隙率增加的順序排列。建議在一次掃描中掃描盡可能多的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊。如果所有的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊不能一次掃描完,那么應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)試塊按厚度層數(shù)分組,并在一次掃描中掃描相同厚度層數(shù)的所有標(biāo)準(zhǔn)試塊?？紫堵蕵?biāo)準(zhǔn)試塊的排布間距不得超過1 mm。

檢測方式為垂直入射穿透C掃描。在掃描孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊前,確認(rèn)超聲C掃描系統(tǒng)設(shè)置是否與生產(chǎn)零件檢測所用設(shè)置(探頭,頻率,噴嘴直徑,掃描速度,掃描步進(jìn)量,水距,聲束垂直性,等)相同。然后用超聲C掃描設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行掃描,確保所有試塊在C掃描圖像中是完全可見的。建議使用灰度調(diào)色板來查看圖像。

2 標(biāo)準(zhǔn)試塊套組的超聲穿透法C掃描檢測結(jié)果分析與應(yīng)用

2.1 創(chuàng)建孔隙率曲線數(shù)據(jù)表

創(chuàng)建孔隙率曲線數(shù)據(jù)表,結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)試塊的孔隙率曲線數(shù)據(jù)

2.2 超聲穿透波振幅信號(hào)的統(tǒng)計(jì)取樣平均值

用C掃描圖像評(píng)價(jià)軟件的統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)每個(gè)孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊的圖像數(shù)據(jù),得出每個(gè)孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊的超聲穿透波振幅信號(hào)的統(tǒng)計(jì)取樣平均值?？紫堵蕵?biāo)準(zhǔn)試塊(BMS8-256編織布)H 套C掃描圖像和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

在C掃描圖像中,在每個(gè)孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊區(qū)域內(nèi)定義一個(gè)幾何矩形區(qū)域,該區(qū)域應(yīng)至少包含50%該孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊的面積。選擇統(tǒng)計(jì)函數(shù)來計(jì)算選定區(qū)域的統(tǒng)計(jì)取樣平均值數(shù)據(jù),并將結(jié)果記錄在表2孔隙率曲線數(shù)據(jù)表 “取樣平均值”列中。對(duì)于0%孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊,選擇統(tǒng)計(jì)函數(shù)來計(jì)算選定區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)偏離值數(shù)據(jù),并將結(jié)果記錄在表2孔隙率曲線數(shù)據(jù)表 “標(biāo)準(zhǔn)偏離值”列中, 該標(biāo)準(zhǔn)偏離值必須小于1.6以確保數(shù)據(jù)的均勻性。

2.3 計(jì)算平均衰減差異值

在C掃描圖像上,較厚的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊會(huì)有較小的超聲穿透波振幅信號(hào),具有較大孔隙率的標(biāo)準(zhǔn)試塊會(huì)有較小的超聲穿透波振幅信號(hào)。查看統(tǒng)計(jì)直方圖,確保信號(hào)值的分布是正常的,并且在設(shè)備的正常工作范圍內(nèi)。計(jì)算每個(gè)孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊相對(duì)于0%孔隙率試塊的平均衰減差異值(0%孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊的衰減差異值記為0 d B)。將該平均衰減差異值記錄在表2的“相對(duì)于0%標(biāo)準(zhǔn)試塊的振幅衰減值”列中。這些值將用于創(chuàng)建孔隙率引起的超聲衰減曲線。

2.4 孔隙率衰減曲線

繪制各鋪層數(shù)的孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊的孔隙率-衰減值曲線,如圖6所示。該曲線表明超聲信號(hào)衰減量隨厚度鋪層數(shù)和孔隙率的增大而增大,鋪層厚度相同的曲線因孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊中孔隙率值的標(biāo)定值而有所波動(dòng)。

2.5 計(jì)算厚度衰減曲線交叉點(diǎn)值

如果孔隙率的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為2%,則2%孔隙率驗(yàn)收閘門值線的位置如圖7所示,可見2%孔隙率的驗(yàn)收閘門值線與孔隙率衰減曲線存在幾個(gè)交點(diǎn)。從相鄰已知孔隙率和其衰減值的兩點(diǎn),通過線性插值法計(jì)算交叉點(diǎn)的值,將該交叉點(diǎn)值記錄在表2的“2%孔隙率交叉點(diǎn)值”列中。

圖7 2%孔隙率驗(yàn)收閘門值線的位置

同理,計(jì)算出3%,4%孔隙率厚度衰減曲線交叉點(diǎn),將交叉點(diǎn)值分別記錄在表2的“3%孔隙率交叉點(diǎn)值” ,“4%孔隙率交叉點(diǎn)值”列中。

2.6 建立厚度(層數(shù))衰減曲線

繪制厚度(層數(shù))衰減曲線,如圖8所示。其中,2%孔隙率厚度(層數(shù))衰減曲線為藍(lán)色曲線;3%孔隙率厚度(層數(shù))衰減曲線為黃色曲線;4%孔隙率厚度(層數(shù))衰減曲線為粉紅色曲線。

圖8 2%,3%,4%孔隙率厚度(層數(shù))衰減曲線

從實(shí)測的孔隙率厚度衰減曲線可以看出,在穿透法檢測復(fù)合材料時(shí),復(fù)合材料超聲波幅值衰減量隨孔隙率增大而增大,隨材料厚度(層數(shù))的增大而增大。即在已知復(fù)合材料厚度(層數(shù))的情況下,從該曲線即可查出2%孔隙率引起的超聲波幅值衰減差異量值,即2%孔隙率的驗(yàn)收閾值,用于實(shí)際零件中孔隙率超標(biāo)的評(píng)價(jià)。

2.7 超聲C掃描系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化檢查

在采用超聲C掃描系統(tǒng)檢查零件之前,檢查設(shè)備設(shè)置,確保其與掃描孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊的設(shè)備設(shè)置相同,然后掃描該零件的層壓板專用參考標(biāo)準(zhǔn)試塊,如圖9所示。

圖9 零件專用層壓板參考標(biāo)準(zhǔn)試塊C掃描示意

在零件專用參考標(biāo)準(zhǔn)試塊的層壓板區(qū)域作柱狀統(tǒng)計(jì)圖,確保最大信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏離不大于1.6。將零件專用參考標(biāo)準(zhǔn)試塊柱狀圖統(tǒng)計(jì)的平均值與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化參考平均值進(jìn)行比較,其差值如在3 d B內(nèi),則表明系統(tǒng)響應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn),可直接開始掃描零件;如果差值超過了3 d B,應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行可能的檢查校正,如調(diào)節(jié)噴嘴對(duì)準(zhǔn)等。

2.8 從零件超聲C掃描圖像進(jìn)行孔隙率評(píng)價(jià)

采用超聲C掃描系統(tǒng)掃查零件,獲得零件C掃描圖像數(shù)據(jù)。觀察零件C掃描圖像數(shù)據(jù),其中具有不同對(duì)比度且形狀不規(guī)則的顯示可能是孔隙顯示。典型孔隙顯示如圖10和圖11所示。

圖10 典型的復(fù)合材料零件層壓板大面積密集孔隙C掃描圖

圖11 典型的復(fù)合材料層壓板小面積密集孔隙C掃描圖

使用其他檢測方法輔助判斷異常顯示是否是孔隙率異常區(qū)域:在孔隙率異常區(qū)域,目視檢測時(shí)通常會(huì)發(fā)現(xiàn)零件表面有明顯表面孔隙或貧膠,厚度較大;用手動(dòng)超聲反射法對(duì)其進(jìn)行A 掃描檢測,發(fā)現(xiàn)有密集層間反射雜波出現(xiàn),底波降低或消失。

在孔隙率異常顯示旁的正常區(qū)域,用C掃描圖像評(píng)價(jià)軟件統(tǒng)計(jì)功能,測量出穿透波振幅信號(hào)平均值,作為該區(qū)域厚度下的0%孔隙率基準(zhǔn)值(確保零件正常區(qū)域與相應(yīng)厚度的零件專用參考試塊正常區(qū)域超聲波振幅差異在1 dB內(nèi))。根據(jù)該區(qū)域零件實(shí)際厚度,從已測定的孔隙率厚度衰減曲線查得2%孔隙率在該厚度的驗(yàn)收閾值,選定孔隙率異常區(qū)域,在該閾值下,測定該異常區(qū)域孔隙率值超標(biāo)累積面積,然后按孔隙率超標(biāo)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)確定該零件是否合格。

3 結(jié)論

對(duì)碳纖維復(fù)合材料孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊和零件進(jìn)行超聲波穿透法C掃描檢測實(shí)踐,得出如下結(jié)論。

(1)以孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊為基準(zhǔn)的超聲波穿透法C掃描檢測可實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓板2%孔隙率生產(chǎn)線的監(jiān)控和評(píng)價(jià),獲得的結(jié)果一致性和重復(fù)性能滿足工程規(guī)范的要求。

(2) 不同碳纖維復(fù)合材料中孔隙大小不同,同一材料中孔隙大小因固化狀態(tài)而不同?？紫兜拇笮『头植加绊懣紫堵仕p曲線?？紫对酱?衰減量越大,孔隙率衰減曲線斜率越大。所以,孔隙率曲線會(huì)因材料不同或同一材料中固化狀態(tài)的不同而不同。

(3) 超聲檢測復(fù)合材料孔隙率時(shí),超聲波衰減量會(huì)因檢測頻率的增大而增大,取決于超聲波波長和孔隙大小之間的關(guān)系。超聲檢測復(fù)合材料孔隙率時(shí)應(yīng)考慮選擇較大的頻率,因?yàn)槠鋾?huì)使孔隙率的檢出靈敏度增大、閾值增大。因此,孔隙率厚度衰減曲線是某種復(fù)合材料在某種超聲檢測設(shè)備設(shè)置下檢測的曲線。

(4) 孔隙率厚度衰減曲線因孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊鑒定標(biāo)定而不同,因此,孔隙率厚度衰減曲線是某種復(fù)合材料以其孔隙率標(biāo)準(zhǔn)試塊為基準(zhǔn),在某種超聲檢測設(shè)備設(shè)置下檢測的曲線。

(5) 在厚度層數(shù)超過40時(shí),孔隙率厚度衰減曲線的斜率變小,這是因?yàn)殡S著厚度的增加復(fù)合材料本身衰減量會(huì)受儀器動(dòng)態(tài)范圍限制而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)失真。在實(shí)際檢測中,對(duì)于厚度層數(shù)超過40的復(fù)合材料層壓板,可用層數(shù)40的2%孔隙率驗(yàn)收閾值進(jìn)行2%孔隙率驗(yàn)收評(píng)價(jià),雖然驗(yàn)收嚴(yán)格了,但滿足了客戶要求。

(6) 復(fù)合材料中最嚴(yán)重的缺陷是分層,超聲波穿透法C掃描對(duì)典型分層進(jìn)行檢測和評(píng)價(jià)時(shí),有專門的驗(yàn)收閾值。在零件厚度較小(小于30層)時(shí),2%孔隙率驗(yàn)收閾值比典型分層的驗(yàn)收閾值小,在零件厚度較大(大于30層)時(shí),2%孔隙率驗(yàn)收閾值比典型分層的驗(yàn)收閾值大很多,故需在判斷清楚異常顯示的性質(zhì)后,選擇正確的驗(yàn)收閾值,以減少漏檢或誤判。

(7) 許多碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或區(qū)域不適合用超聲檢測評(píng)價(jià)孔隙率。例如,T 形結(jié)構(gòu)圓弧填角區(qū)域,內(nèi)外半徑圓弧表面不平行的圓弧區(qū)域,層壓板變厚度斜坡區(qū)域,蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)蒙皮中的孔隙率檢測與控制區(qū)域等。