摘 要 為了研究不同無損檢測技術對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中脫粘缺陷的可檢性和檢測精度，本文針對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)進行了多種無損檢測技術的檢測試驗和結(jié)果分析。主要采用穿透超聲檢測技術、穿透空氣耦合超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術，對設計、制備的含有不同尺寸、不同分布位置的預制脫粘缺陷的檢測對比試樣進行了檢測試驗，對預制脫粘缺陷的可檢性和檢出缺陷尺寸進行了分析。分析結(jié)果表明，穿透超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術能夠有效檢出復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷，并且太赫茲檢測技術具有較高的檢測精度；穿透空氣耦合超聲檢測技術無法有效檢出復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷。

關鍵詞 復合材料；蜂窩結(jié)構(gòu)；超聲；太赫茲；脫粘缺陷

Comparative Analysis of Ultrasonic and Terahertz Testing

Methods for Composite Honeycomb Structure

FU Tianhang1， WANG Wengui1， YANG Liu1， LIU Songping1， 2， BAI Jinpeng1，

CHEN Tiezheng1， WANG Chunmei HAN Liheng1

（1.AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 100024;

2. AVIC Composite Corporation LTD.， Beijing 101300）

ABSTRACT In order to study the detectability and detection accuracy of different nondestructive testing techniques for the debonding defects in the composite honeycomb structure， the detection tests and results analysis of various nondestructive testing techniques were carried out for the composite honeycomb structure. Through ultrasonic testing method， through air coupling ultrasonic testing method， reflection terahertz testing method and reflection ultrasonic phased array testing method were used to carry out detection tests on the designed and prepared test samples containing different sizes and different distribution locations of prefabricated debonding defects. The detectability of prefabricated debonding defects and the size of detected defects were analyzed. The analysis results show that the debonding defects in the composite honeycomb structure can be detected effectively by the through ultrasonic testing method， reflection terahertz testing method and reflection ultrasonic phased array testing method. Reflection terahertz testing method has higher detection accuracy than through ultrasonic testing method and reflection ultrasonic phased array testing method. The through air coupling ultrasonic testing method can not effectively detect the debonding defects in the composite honeycomb structure.

KEYWORDS composites; honeycomb structure; ultrasonic; terahertz; debonding defects

1 引言

復合材料由于高比強度和比模量、優(yōu)異的加工工藝性和可設計性等特點而被廣泛應用于航空航天、交通運輸、電子電器和體育用品等各領域［1-2］。在航空領域，復合材料有利于飛機結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化性能的提高，是民用飛機的主要組成材料之一［3-4］。在眾多復合材料結(jié)構(gòu)中，復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)是航空、航天領域重要的結(jié)構(gòu)形式［5-7］。復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)具有重量輕、隔熱、透波性能好等優(yōu)點，飛機雷達罩、垂直尾翼、水平尾翼、客艙地板、貨倉地板等都可采用復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)制造［8-10］。復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的主體是一種“三明治”結(jié)構(gòu)，由蒙皮、蜂窩芯材和膠膜三部分組成，其中蒙皮材料主要有碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等，蜂窩芯材主要有鋁合金和芳綸紙等［11-12］。復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)由于其復雜的制備工藝及結(jié)構(gòu)特點，容易在制造和服役過程中產(chǎn)生缺陷。復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中主要的缺陷類型有蒙皮分層、蒙皮夾雜、蒙皮與蜂窩芯材脫粘、蜂窩芯材與膠膜脫粘、蜂窩芯材壓縮等13-14］。這些缺陷會降低復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的硬度和抗疲勞性，進而影響整個部件結(jié)構(gòu)的安全性，威脅飛行安全［15-16］。因此需要針對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)進行100 %無損檢測，并且具有重要的意義［17-18］。

目前，針對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，主要采用的檢測技術有超聲檢測技術［19］、紅外檢測技術［20］和X射線檢測技術［21］。超聲檢測技術根據(jù)材料和缺陷的聲阻抗差異，對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)進行缺陷檢測。楊思乾等［22］用超聲透射法對復合材料蜂窩夾芯構(gòu)件進行了檢測試驗，分析了在檢測過程中板波傳播的基本特點，并對檢測部位進行了解剖驗證。試驗發(fā)現(xiàn)當膠膜分布不均勻或產(chǎn)生脫粘現(xiàn)象時，會使透射的超聲信號幅值降低，據(jù)此規(guī)律可對復合材料蜂窩構(gòu)件的膠接質(zhì)量進行無損檢測。董方旭等［23］通過采用空氣耦合超聲檢測方法對含模擬缺陷的蒙皮蜂窩夾芯復合材料進行了檢測，驗證了空氣耦合超聲檢測技術是評價蒙皮蜂窩夾芯復合材料的可靠性無損檢測手段。紅外檢測技術基于紅外輻射原理，利用紅外熱像儀掃描記錄被測物體的表面熱輻射情況，并根據(jù)測得的被測物體表面熱圖，進而來判別結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否有缺陷［24］。何銀行等［25］利用紅外鎖相熱成像技術對不同蒙皮材料、不同蒙皮厚度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的脫粘類缺陷進行了測試，結(jié)果表明該技術對脫粘類缺陷具有較高的識別能力。射線檢測技術利用射線穿過物體時能量產(chǎn)生的衰減，在膠片或數(shù)字接收器上產(chǎn)生具有不同灰度特征的影像，通過對分析影像檢測缺陷。張永民等［26］分析了復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中常見缺陷的射線檢測影像特征。面向復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢測技術，主要難點是針對膠膜與蜂窩之間的脫粘缺陷。為了研究不同無損檢測技術對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中脫粘缺陷的可檢性和檢測精度，本文分別采用穿透超聲檢測技術、穿透空氣耦合超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術，針對設計、制備的含有不同尺寸、不同分布特征的預制缺陷的復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)檢測對比試樣進行檢測試驗。通過對檢測結(jié)果的定量分析，對比不同無損檢測技術對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中不同分布位置脫粘缺陷的檢測與評估能力。

2 試驗條件

2.1 試驗對象

本項研究設計了1種復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)檢測對比試樣，模擬脫粘缺陷。檢測對比試樣的蒙皮材料為SW280玻纖預浸料，蜂窩材料為高密度芳綸紙。檢測對比試樣的尺寸為170 mm×140 mm×13 mm，檢測對比試樣的上蒙皮厚度為1.6 mm，下蒙皮厚度為0.8 mm，蜂窩厚度為10.4 mm。

在檢測對比試樣上共計預制12處脫粘缺陷如圖1所示。其中在上蒙皮一側(cè)預制6處缺陷F1-F6，在下蒙皮一側(cè)預制6處缺陷F7-F12。預制缺陷F1、F4、F7和F10尺寸為10 mm×10 mm，F(xiàn)2、F5、F8和F11尺寸為10 mm×5.5 mm，F(xiàn)3、F6、F9和F12尺寸為6 mm×5 mm。F1-F3位于上蒙皮與膠膜之間，F(xiàn)4-F6位于蒙皮板膠膜與蜂窩芯材之間，F(xiàn)7-F9位于下蒙皮與膠膜之間，F(xiàn)10-F12位于下蒙皮膠膜與蜂窩芯材之間。制備的檢測對比試樣如圖2所示。

2.2 試驗設備

穿透超聲檢測采用MUI-31噴水超聲檢測系統(tǒng)，有效檢測面積2000 mm×1500 mm。超聲換能器頻率為5 MHz，噴嘴直徑為6 mm。

穿透空氣耦合超聲檢測采用MUI-31A空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)，有效檢測面積2000 mm×1500 mm。超聲換能器頻率為200 KHz。

反射太赫茲檢測采用TK-LINE-TM-S太赫茲檢測系統(tǒng)，有效檢測面積400 mm×400 mm。太赫茲頻率為4.5 THz。

反射超聲相控陣檢測采用DPPA-32水浸檢測系統(tǒng)，有效檢測面積400 mm×400 mm。相控陣超聲換能器為32晶元，頻率為5 MHz。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 穿透超聲檢測結(jié)果與分析

采用穿透超聲檢測技術的檢測結(jié)果如圖3所示，能清晰的看到12處顏色異常區(qū)域F1-F12。通過與圖1中預制缺陷F1-F12的分布位置進行對比，發(fā)現(xiàn)圖3中顏色異常區(qū)域F1-F12的位置與檢測對比試樣中預制脫粘缺陷F1-F12的分布位置基本一致。因此可以確定圖3中顏色異常區(qū)域F1-F12為檢測對比試樣中的預制脫粘缺陷F1-F12。上述分析結(jié)果表明穿透超聲檢測技術能夠有效檢測出復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

為了更好的評估穿透超聲檢測技術的檢測精度，對圖2中檢出的缺陷的尺寸進行了測量，測量結(jié)果如表1所示。表1中“長度”為缺陷水平方向的長度，“寬度”為缺陷垂直方向的長度，“長度偏差”為缺陷水平方向與設計值的偏差，“寬度偏差”為缺陷垂直方向與設計值的偏差。

從表1中可看出，長度偏差最大為1.5 mm，寬度偏差最大為1.4 mm，長度偏差比例最大為22 %，寬度偏差比例最大為23 %。偏差比例均在設計值的25 %之內(nèi)，表明脫粘缺陷穿透超聲檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較好。

3.2 穿透空氣耦合超聲檢測結(jié)果與分析

采用穿透空氣耦合超聲檢測技術的檢測結(jié)果如圖4所示。從圖4中無法看到圖2中明顯的顏色異常區(qū)域。表明穿透空氣耦合超聲檢測技術無法有效檢測出復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

3.3 反射太赫茲檢測結(jié)果與分析

采用太赫茲檢測技術的檢測結(jié)果如圖5所示。其中，圖5（a）為上蒙皮的反射太赫茲檢測結(jié)果，圖5（b）為下蒙皮的反射太赫茲檢測結(jié)果。從圖5中能清晰的看到12處顏色異常區(qū)域F1-F12。通過與圖1中預制缺陷F1-F12的分布位置和圖3穿透超聲檢測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)圖5中顏色異常區(qū)域F1-F12的位置與檢測對比試樣中預制脫粘缺陷F1-F12的分布位置基本一致。因此可以確定圖5中顏色異常區(qū)域F1-F12為檢測對比試樣中的預制脫粘缺陷F1-F12。表明反射太赫茲檢測技術能夠有效檢測出復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

為了更好的評估反射太赫茲檢測技術的檢測精度，對圖5中檢出的缺陷的尺寸進行了測量，測量結(jié)果見表2。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，長度偏差最大為1.0 mm，寬度偏差最大為0.5 mm，長度偏差比例最大為18 %，寬度偏差比例最大為8 %。偏差比例均在設計值的25 %之內(nèi)，表明脫粘缺陷反射太赫茲檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較好。

3.4 反射超聲相控陣檢測結(jié)果與分析

采用反射超聲相控陣檢測技術的檢測結(jié)果如圖6所示。其中，圖6（a）為上蒙皮的反射超聲相控陣檢測結(jié)果，圖6（b）為下蒙皮的反射超聲相控陣檢測結(jié)果。從圖6中能清晰的看到12處顏色異常區(qū)域F1-F12。通過與圖1中預制缺陷F1-F12的分布位置和圖3、圖5的檢測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)圖6中顏色異常區(qū)域F1-F12的位置與檢測對比試樣中預制脫粘缺陷F1-F12的分布位置基本一致。因此可以確定圖6中顏色異常區(qū)域F1-F12為檢測對比試樣中的預制脫粘缺陷F1-F12。表明反射超聲相控陣檢測技術能夠有效檢測出復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中蒙皮-膠膜、膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷。

為了更好的評估反射超聲相控陣檢測技術的檢測精度，對圖6中檢出的缺陷的尺寸進行了測量，測量結(jié)果見表3。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，長度偏差最大為2.9 mm，寬度偏差最大為1.9 mm，長度偏差比例最大為53 %，寬度偏差比例最大為21 %。偏差比例超過設計值的25 %，表明脫粘缺陷反射超聲相控陣檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較差。

3 結(jié)語

（1）針對復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷，穿透超聲檢測技術、反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術能夠有效檢出蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷，但穿透空氣耦合超聲檢測技術無法有效檢出蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面的脫粘缺陷；

（2）穿透超聲檢測技術由于其檢測原理的局限性，僅能檢出脫粘缺陷，但無法確定檢出缺陷位于上蒙皮、下蒙皮，以及蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面；

（3）反射太赫茲檢測技術和反射超聲相控陣檢測技術由于分別檢測上蒙皮膠接區(qū)域和下蒙皮膠接區(qū)域，因此可分辨檢出缺陷位于上蒙皮和下蒙皮，但無法確定脫粘缺陷位于蒙皮-膠膜和膠膜-蜂窩界面；

（4）根據(jù)檢出缺陷尺寸測量數(shù)據(jù)，可以確定太赫茲檢測技術具有更高的檢測精度，能夠更加準確的反應脫粘缺陷尺寸，并且由于太赫茲檢測技術無需耦合劑，相比于穿透超聲檢測技術具有更好的應用條件。

參 考 文 獻

［1］

杜善義. 先進復合材料與航空航天［J］. 復合材料學報， 2007， 24（1）： 1-12.

［2］唐見茂. 碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望［J］. 航天器環(huán)境工程， 2010， 27（3）：269-280.

［3］王恒生， 程艷婷. 復合材料在航天領域中的研究與應用進展［J］. 化工科技， 2013， 21（2）：67-70.

［4］楊紅娟， 楊正巖， 楊雷， 等. 碳纖維復合材料損傷的超聲檢測與成像方法研究進展［J］. 復合材料學報， 2023， 40（8）： 4295-4317.

［5］唐桂云， 王云飛， 王寶瑞. 碳纖維復合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的無損檢測方法研究［J］. 纖維復合材料， 2011， 28（1）： 30-32.

［6］竇明月， 王顯峰， 張冬梅， 等. Nomex蜂窩芯靜態(tài)壓縮屈曲與后屈曲分析［J］. 南京航空航天大學學報， 2019， 51（1）： 69-74.

［7］劉源， 龐寶君， 遲潤強， 等. 基于聲發(fā)射的鋁蜂窩板超高速撞擊損傷模式識別方法［J］. 航空學報， 2017， 38（5）： 152-164.

［8］李小麗， 陳新波， 單柏榮， 等. 飛機復合材料分層缺陷的CT與X射線檢測對比試驗研究［J］. 無損探傷， 2020， 44（5）： 41-43.

［9］李鶯歌， 周占偉， 尉世厚， 等. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板-芯脫粘后的修補及對透氣性的影響研究［J］. 復合材料科學與工程， 2021， （5）： 92-97.

［10］ 張繼敏， 周暉， 劉奎. 航空復合材料多層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的空氣耦合式超聲檢測技術研究［J］. 復合材料科學與工程， 2020， （9）： 74-78+99.

［11］ Hongyong Jiang， Yi Ji， Yunsen Hu， Xiaozhi Hu， Yiru Ren，Interfacial design and flexural property of CFRP/aluminum-honeycomb sandwich with Aramid-pulp micro/nano-fiber interlays，Composite Structures，Volume 289，2022，115486，

［12］ Xingyu Wei， Dafu Li， Jian Xiong， Fabrication and mechanical behaviors of an all-composite sandwich structure with a hexagon honeycomb core based on the tailor-folding approach， Composites Science and Technology， Volume 184， 2019， 107878.

［13］ 楊慶峰， 孫金立， 胡丑， 等. 飛機鋁蜂窩復合材料的典型缺陷檢測［J］. 無損檢測， 2019， 41（12）： 45-48.

［14］ 曲亞林， 寧寧， 詹紹正. 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的無損檢測技術［J］. 航空制造技術， 2011， （20）： 78-81.

［15］ 蘇繼龍， 吳金東， 劉遠力. 蜂窩結(jié)構(gòu)力學超材料彈性及抗沖擊性能的研究進展［J］. 材料工程， 2019， 47（8）： 49-58.

［16］ 溫銀堂， 楊若然， 張玉燕. 新型陶瓷基復合材料粘接構(gòu)件的脫粘超聲檢測信號處理方法［J］. 電子測量與儀器學報， 2021， 35（2）： 143-151.

［17］ 盧今， 陳振華， 肖樹坤， 等. 蜂窩夾芯復合材料空氣耦合超聲檢測技術研究［J］. 無損探傷， 2023， 47（3）： 1-4+11.

［18］ 郝威， 李明， 徐瑩， 等. 復合材料蜂窩夾芯缺陷超聲檢測模擬研究［J］. 機械科學與技術， 2023， 42（8）： 1362-1365.

［19］ 周慶祥， 李經(jīng)明， 李建奎， 等. 超聲C掃描用噴水系統(tǒng)設計及其檢測穩(wěn)定性［J］. 應用聲學， 2021， 40（4）： 579-587.

［20］ 計宏偉， 邵文全， 李硯明， 等. 蜂窩紙板脫膠缺陷的檢測［J］. 包裝工程， 2009， 30（2）： 105-106+118.

［21］ 章清樂， 劉松平， 劉菲菲. 大型復合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)X射線數(shù)字成像自動化快速掃描檢測技術［J］. 航空制造技術， 2022， 65（13）： 78-83.

［22］楊思乾， 楊揚， 曹慧麗， 等. 復合材料蜂窩夾芯構(gòu)件膠接質(zhì)量的超聲檢測［J］. 航空精密制造技術， 2006， （4）： 42-44+48.

［23］董方旭， 凡麗梅， 趙付寶， 等. 空氣耦合超聲檢測技術在復合材料檢測中的應用［J］. 無損探傷， 2022， 46（1）： 10-13.

［24］李寶磊. 蜂窩蒙皮內(nèi)部積水/積冰的紅外無損檢測技術研究［D］. 上海工程技術大學， 2020.

［25］何銀行. 基于紅外鎖相法的飛機蒙皮損傷檢測試驗研究［D］. 哈爾濱工業(yè)大學， 2009.

［26］張永民. 復合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)射線檢測中常見的缺陷分析［C］. 陜西省機械工程學會. 陜西省無損檢測學會. 2012陜西省第十三屆無損檢測年會論文集. 2012： 196-199.