背景

復(fù)合材料因其*的可設(shè)計(jì)性、抗疲勞、抗腐蝕以及較高的減重效率，已經(jīng)成為目前各種先進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的必選材料。復(fù)合材料在*飛機(jī)上的應(yīng)用比例逐年提高，波音787飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用比例已經(jīng)超過(guò)50%，空客從A310的5% 復(fù)合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已經(jīng)超越波音787的復(fù)合材料用量，達(dá)到53%。

目前航空先進(jìn)復(fù)合材料零件使用最多的是樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，高性能的碳纖維復(fù)合材料滿足了航空領(lǐng)域發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)外已將其大量用于飛機(jī)局部增強(qiáng)作用的角材、隔板、肋等結(jié)構(gòu)部件，以及機(jī)翼、尾翼、升降舵等承力結(jié)構(gòu)件。除了大型壁板外，復(fù)合材料制件截面多為L(zhǎng)形或L形的變形體。具有L形結(jié)構(gòu)的先進(jìn)復(fù)合材料層壓板的抗屈曲能力優(yōu)于相同厚度、同等鋪層的平板狀層壓板，并且此類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)也更利于盒段等部件的裝配。

超聲檢測(cè)，尤其是相控陣超聲檢測(cè)方法是碳纖維復(fù)合材料常用的方法之一，在一般的超聲檢測(cè)人員眼中碳纖維復(fù)材是比較難檢測(cè)的一種材料，原因是其纖維結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致聲波衰減嚴(yán)重，聲穿透性較差。但實(shí)際情況是不同行業(yè)的碳纖維復(fù)合材料，不同的制作工藝會(huì)使其可檢性產(chǎn)生巨大差異。

比如航空航天用碳纖維復(fù)合材料的衰減就非常小，對(duì)于垂直表面入射的聲束，其衰減性甚至小于普通的碳鋼材料。而對(duì)于一些如碳纖維纏繞氣瓶，其碳纖維材料的衰減就非常大，聲穿透性差。

當(dāng)然入射角度也是碳纖維材料聲衰減的重要影響因素，當(dāng)聲束角度與碳纖維復(fù)合材料表面不垂直時(shí)，其聲波衰減也會(huì)增大，甚至消失。

2. 超聲相控陣檢測(cè)方案

（1） 碳纖維平板類(lèi)層壓復(fù)合材料

這種類(lèi)型的碳纖維復(fù)合材料是最常見(jiàn)的一種，其形狀簡(jiǎn)單，多為平板類(lèi)，通過(guò)多層鋪疊方式成型，聲衰減較小。

因而這類(lèi)復(fù)合材料大多可以采用滾輪式相控陣探頭檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。

下面是對(duì)這類(lèi)復(fù)合材料的檢測(cè)結(jié)果，可以看到對(duì)于變厚度（1.2mm~12mm）的復(fù)合材料工件，可以清晰看到不同厚度、不同深度的缺陷情況，并通過(guò)C掃描（投影視圖）顯現(xiàn)出來(lái)。

最薄的工件厚度可以到1.2~1.5mm，可區(qū)分上下表面及缺陷信號(hào)。

（2） 碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)件檢測(cè)

碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料由于其高強(qiáng)度的耐壓能力，最早被用于航空航天的重要支撐結(jié)構(gòu)上。隨著技術(shù)的發(fā)展，蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料也被廣泛用于包括鐵路、建筑裝飾、船舶等多個(gè)領(lǐng)域。

碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的檢測(cè)歷來(lái)都是檢測(cè)的難點(diǎn)，之前的航空航天蜂窩復(fù)合材料檢測(cè)主要使用超聲噴水系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，且效率不高，只用于航空航天行業(yè)復(fù)雜形狀且檢測(cè)要求較高的環(huán)境使用，且需要遵循航空航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而且碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)比鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)由于其蒙皮壁厚更薄，更加難以檢測(cè)。

使用輪式相控陣探頭RollerForm，配合Omniscan系列相控陣檢測(cè)設(shè)備，可以便捷高效地對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)，具有檢測(cè)效率高，成像直觀等特點(diǎn)。

下圖是碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)的C掃描圖像，圖中可以清晰看出蜂窩的結(jié)構(gòu)和排布。

（3） 碳纖維復(fù)合材料R角檢測(cè)

CFRP拐角類(lèi)零件有很多種結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)的不同，需要特定的檢測(cè)設(shè)置，特定的探頭和楔塊，才能得到好的檢測(cè)結(jié)果。

超聲相控陣技術(shù)可以很好地檢測(cè)R角復(fù)合材料工件的R角部位，基本原理與常規(guī)超聲相同，因而為了使用0度角進(jìn)行拐角檢測(cè)，超聲聲束必須垂直入射表面。為了達(dá)到該目的，需要使用弧形晶片排列的相控陣探頭，并且將探頭的曲率半徑中心與零件的曲率半徑中心重合。

下圖為R角工件檢測(cè)結(jié)果，如下圖所示。由下面檢測(cè)圖像可見(jiàn)，從C掃描圖像中可以看到一個(gè)疑似的微小點(diǎn)狀的氣孔，而從S掃描和A掃描中同樣可以看到該缺陷信號(hào)。而且工件厚度非常薄，只有2mm左右，但依然可以清晰分辨出上下表面，且表面波平直。

（4） 碳纖維復(fù)材結(jié)構(gòu)翻邊檢測(cè)

碳纖維復(fù)材除了前面講到的平板類(lèi)，還有很多的異形結(jié)構(gòu)件，其中較多的一種結(jié)構(gòu)是帶翻邊的結(jié)構(gòu)件，其翻邊部位由于寬度較窄，壁厚較薄，常規(guī)的檢測(cè)方法很難快速高效的對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，或者會(huì)產(chǎn)生較大的盲區(qū)。

通過(guò)使用迷你滾輪探頭EdgeForm配合Omniscan超聲相控陣設(shè)備，可以有效地解決這一問(wèn)題。

EdgeForm作為一款迷你版的滾輪探頭，其探頭滾輪部分可以自由伸縮，以應(yīng)對(duì)不同寬度的翻邊，其滾輪表面潤(rùn)濕以后，只需少量水即可實(shí)現(xiàn)工件表面的良好耦合。

下面是EdgeForm檢測(cè)碳纖維復(fù)材翻邊部位的檢測(cè)結(jié)果，可以清晰看到翻邊部位的表面回波和底面回波，未見(jiàn)明顯缺陷信號(hào)。

使用EdgeForm檢測(cè)另外一個(gè)異形結(jié)構(gòu)CFRP工件，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)自然分層缺陷如下

3. 低頻超聲碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)方案
一發(fā)一收模式用于檢測(cè)帶有蜂窩結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料，使用一個(gè)雙晶、點(diǎn)接觸、干耦合超聲探頭。激發(fā)單元將聲能傳送到工件內(nèi)，然后，接收單元再接收從表面?zhèn)鞑セ貋?lái)的聲能。在粘接完好的條件下，部分聲能由于蜂窩結(jié)構(gòu)的吸收而產(chǎn)生衰減。當(dāng)探頭被放置在脫粘區(qū)域上時(shí)，傳播到接收單元的聲能會(huì)變得很大，并會(huì)引起波幅的變化。

一收一發(fā)檢測(cè)模式包括三種檢測(cè)方法：射頻法、脈沖法和掃頻法。

不同方法的頻率范圍如下：1 kHz ～ 50 kHz（射頻，脈沖）或1 kHz ～ 100 kHz（掃頻）

射頻法：射頻法顯示的是接收單元接收的原始信號(hào)，儀器可以檢測(cè)到好和壞位置的振幅和相位差別，然后通過(guò)放置閘門(mén)在一個(gè)合適的位置，以監(jiān)控缺陷對(duì)信號(hào)的影響。

脈沖法：該方法不像射頻模式，它的數(shù)據(jù)在顯示之前會(huì)通過(guò)一個(gè)過(guò)濾器，儀器可以檢測(cè)到好和壞位置的振幅和相位差別，然后通過(guò)放置閘門(mén)在一個(gè)合適的位置，以監(jiān)控缺陷對(duì)信號(hào)的影響。

脈沖顯示分屏中的一發(fā)一收模式信號(hào)。X-Y視圖（右側(cè)）顯示了近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)脫粘的記錄（不同的相位）。

掃頻模式：該方法頻率不像上兩個(gè)方法是固定，它是頻率不停變化的，環(huán)形顯示的就是不同頻率下的相位和幅值的變化。當(dāng)環(huán)形信號(hào)超出了中間的閘門(mén)框，則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了缺陷。該方法的優(yōu)點(diǎn)是使用多頻掃查，而且提離信號(hào)與缺陷信號(hào)差異明顯。

4. 空氣耦合超聲檢測(cè)

空氣耦合超聲檢測(cè)（ACU）是一種非接觸式的無(wú)損檢測(cè)方法，但空氣耦合超聲方法需要解決固體和空氣介質(zhì)之間的巨大的聲學(xué)差異導(dǎo)致的聲衰減。這種聲衰減可能會(huì)大于160dB，而且這種衰減與頻率相關(guān)。因此所使用的頻率限定在大約500kHz。因此常規(guī)超聲設(shè)備無(wú)法用于空氣耦合超聲檢測(cè)中。
下面是空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)的樣式，使用陣列式的空氣耦合超聲探頭。

下圖顯示的式金屬夾層結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)結(jié)果，該結(jié)構(gòu)為CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）蒙皮，內(nèi)部是金屬蜂窩芯，總厚度12mm。C掃圖像清晰地顯示出四個(gè)分層缺陷。缺陷處的振幅降低了18dB，并清晰可見(jiàn)。并通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算缺陷面積為2490mm2。

5. 激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)技術(shù)
激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)方法的原理如下圖，激光器發(fā)出的相干光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡照射被檢測(cè)物體，其漫反射表面產(chǎn)生散斑場(chǎng)。分束鏡和兩個(gè)反射鏡產(chǎn)生的兩束光（兩幅錯(cuò)位的圖像）在CCD處疊加成一幅圖像。物體上的兩個(gè)點(diǎn)P1和P2（簡(jiǎn)稱(chēng)“對(duì)點(diǎn)"），成像后疊加為一點(diǎn)P，形成散斑圖，可通過(guò)計(jì)算機(jī)看到。如果有缺陷則表面會(huì)產(chǎn)生異常的離面位移，在圖像對(duì)應(yīng)位置處可會(huì)出現(xiàn)異常的條紋圖或相位圖。通過(guò)條紋異常區(qū)的特征可識(shí)別缺陷的位置和大小。

激光散斑無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要適用于復(fù)合材料，例如蜂窩 板、層合板、橡膠制品、壓力容器、粘接產(chǎn)品等。

航空領(lǐng)域包括：飛機(jī)機(jī)翼層壓板、蜂窩板等的缺陷和粘接性能檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠粘接產(chǎn)品的粘接質(zhì)量檢測(cè)、直升機(jī)復(fù)合材料槳葉的缺陷檢測(cè)、各種航空零部件、結(jié)構(gòu)件層壓板、蜂窩板、膠接結(jié)構(gòu)和泡沬夾芯結(jié)構(gòu)等的檢測(cè)。

6. 結(jié)論
碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)通過(guò)超聲相控陣技術(shù)、低頻超聲技術(shù)等多種技術(shù)手段，可以利用每種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，得到理想的檢測(cè)效果。尤其是超聲相控陣技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得其在碳纖維復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為復(fù)材檢測(cè)的方案。