复合材料的超声检测技术
发布时间：2009-7-2 14:27:00
随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30% 左右，新一代战斗机将达到40% ；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～ 80% 左右，甚至出现全复合材料飞机。复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。
超声检测在复合材料研究及其制造中的应用
复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面：材料无损检测； 结构无损检测；服役无损检测。材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。
复合材料制品超声检测方法
1 超声C 扫描检测技术
超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B 型显示和C 型显示。A型显示是基础，其他两种显示方式均由A 型显示的数据重建得到。其中，C 型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、横坐标，所以C 型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像，并作为最常用的显示结果提供给最终用户。
超声C 扫描是具有C 型显示功能的探伤方法，在宏观缺陷检测中，常用频率为0.5 ～ 25 M H z 的探头，采用脉冲反射法进行检测。超声C 扫描由于显示直观，检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的技术。目前C 扫描检测技术能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类缺陷。K.Lemster 在研究金属基复合材料的机械性能时，使用超声C 扫描对材料内部的均匀性和裂纹进行了检测。国内魏勤等人利用超声C 扫描对碳化硅颗粒增强铝基复合材料试样进行了检测，可以清晰地看出材料中的团聚和孔洞。浙江大学王艳颖针对大型非对称复合材料构件提出了一种超声C 扫描检测方法，该方法集机器人、反求工程、超声成像、超声信号处理等多学科技术于一体，实现了实时检测时对构件曲面跟踪和灵敏度实时补偿的功能。吴瑞明采用多传感器信息融合技术，通过仿形测量和重建模型的方法实现了复合材料超声C 扫描的一般过程，准确检测出了复合材料的缺陷。但如要求有更精确的复合材料定量检测技术，特别是对于新型复合材料，如缝编结构及陶瓷基复合材料等，要了解和掌握这类材料内部缺陷的分布情况和含量，常规的C 扫描往往难以胜任。
2 超声导波检测技术
导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸跟声波波长可比的情况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类型的导波。导波本质上还是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。超声导波检测是一种快速大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍需要采用其他检测方法才能作出最终的评估。
由于导波检测具有快速方便的应用特点，目前已成为超声检测领域研究的热点。T . K u n d u 采用L a m b 波扫描了复合材料的缺陷，建立了线扫描方法和缺陷成像技术。K . M a s l o v 研究了5 层纤维增强复合材料中使用漏L a m b 波检测内部缺陷的模式选择方法，把应力和位移的变化作为是否存在缺陷的判别依据。N.Toyama 研究了复合材料横向裂纹和分层缺陷对S0 模式L a m b波速度的影响。T . R . H a y 分析了复合材料蜂窝结构中导波的传播，使用Guided Ultrasonics 公司生产的应力波分析仪对蜂窝板的脱粘缺陷进行了检测。法国M.Castaings 等人用Lamb 波对EADS-ASTRIUM公司的高压复合材料油箱进行健康监测，激发了识别为A0 模式的L a m b 波，在传播过程中对碳纤维环氧体复合材料的微裂纹较为敏感，试验结果有很好的信噪比，为使用中的高压复合材料油箱提供了无损健康监测的可能性。M.Castaings 等人还在玻璃环氧体复合材料中激发了L a m b 波和S H 导波，研究了不同模式下的相速度的变化，获得的结果与理论有良好的一致性。国内如北京工业大学、同济大学等研究机构的主要精力集中在大型板壳、管道、铁轨等方面，其中部分产品已投入实际使用。北京航空航天大学无损检测研究室开展了大型复合材料板壳粘接质量的超声导波检测技术研究，对铝蒙皮蜂窝板的脱粘缺陷进行了导波线扫描检测。
3 空气耦合超声检测技术
传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。非接触空气耦合超声检测方法是解决这个问题的可行途径之一。空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行快速扫描。另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性的表征。目前，国外已开始将空气耦合超声检测技术用于某些复合材料板的检测，可以检测出脱粘、脱层、气孔、夹杂和纤维断裂等缺陷，可以解决传统液体耦合超声检测方法不能解决的问题。但是，空气耦合超声检测的信号衰减很大，声阻抗较高的材料很难实现在线检测，必须采用特殊机制来改进，而且采用脉冲回波法进行检测的难度较大，多数采用穿透法检测和斜入射检测。
立陶宛考纳斯科技大学的K a z y s 等人采用斜入射同侧检测方式，研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0 模式L a m b 波的板边回波特性，由于损伤区域有很强的能量泄漏，所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷，并估计其大小。波兰格坦斯克科技大学的Imi e l i n s k a等人采用空气耦合探头和穿透式超声C 扫描技术对多层聚合体复合材料的冲击损伤进行了检测研究，与X 射线检测结果比较后表明，该方法更快、更方便、更准确，且可用于检测一些X 射线无法检测的材料。美国爱荷华州立大学无损检测中心的H S U 和印度G E 全球研究中心的Kommareddy 等合作，利用压电陶瓷空气耦合换能器，开展了复合材料零部件的缺陷检测和修复评价的研究工作，并研制了相应的空气耦合超声扫描系统，在飞机零部件阵地探伤中得以使用；英国伦敦大学的Berketis 等人利用空气耦合超声检测方法对潜艇用玻璃纤维增强型复合材料的损伤和退化进行了检测和评价，获得了用水耦合超声检测方法得不到的效果。丹麦国家实验室的B o r u m 与丹麦工业大学的Berggreen 等人合作，利用空气耦合超声波，采用穿透法，对海军舰艇用层状叠合复合材料板进行检测，结果显示，该方法可以检测出上述材料板中的脱粘。
4 激光超声检测技术
激光超声是目前国内外研究最活跃的非接触超声检测方法之一。它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，在物体内部产生超声波。激光超声检测可分3 种：一种用激光在工件中产生超声波，用P Z T 等常规超声探头接收超声波进行检测；另一种用P Z T 等常规超声波探头激励超声波，用激光干涉法检测工件中的超声波；还有一种用激光激励超声波，并用激光干涉法检测工件中的超声波，此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。超声波的激励或探测可通过激光进行，不需要耦合剂，因而可实现远距离非接触检测，检测距离可从几十厘米到数米。所激发的超声波具有很宽的频带，从几百k H z到几G H z，可用于薄膜测量分析等一些特殊应用场合。而且探测激光可聚焦到非常小的点，可实现高达数微米的空间分辨力。此外，激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，是试验验证各种复杂媒质中声传播理论的有效手段。近年来，已发展成超声学中的重要分支，并在激光超声信号的激发与接收、传播以及应用等方面取得很大进展。
激光超声检测的快速、远距离和高分辨力等特性适用于常规压电检测技术难以检测的形状结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究，如飞机上各个部件的定位和成像等。加拿大A.Blouin用激光超声研究了蜂窝芯复合材料的分层、脱粘等缺陷。美国洛克希德· 马丁公司开发了LaserUT 激光超声检测系统，在检测F -22 复合材料构件时获得了清晰的B 扫描、C 扫描图像，不需要任何特殊夹具，检测时间大大缩短，达到了传统超声无法达到的效果。国内钱梦騄等在激光超声的特性和检测各种材料的力学特性方面进行了大量的研究。刘松平研究了碳纤维增强树脂基复合材料中常见缺陷的激光超声信号特性与缺陷识别评估方法。利用激光发射- 超声接收检测系统有效地提取了反映复合材料中缺陷的声波信息，并可进行缺陷的判别，确定缺陷的性质。
尽管激光超声在复合材料检测中取得了很大的进展，但现阶段仍存在2 个主要问题：一个是光声能量的转换效率较低；另一个是激光超声信号微弱，需要提高检测灵敏度。适当增大激光的能量，可提高激光超声信号强度。但当能量增大到一定程度时，又容易将材料的表面灼伤。因此，揭示激光发声机理、提高光声转换效率及其检测灵敏度已成为激光超声研究的3 个主要方向。
5 相控阵超声检测技术
相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术，它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同的声束。
相控阵超声探头由晶片阵列组成，各声束相位可控，可用软件控制聚焦焦点，不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域。通过优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，使得相控阵超声在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。
在实际的检测应用和研究中，设计形状巧妙的探头已成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段，英国R.J.Freemantle 等人用一种新颖的相控阵超声探头检测大面积航空复合材料构件，把相控阵阵列安装在橡胶滚轮中，该滚轮既可手动也可自动控制，能有效检出航空复合材料构件中的裂纹及未贴合等缺陷。O l y m p u s 无损检测公司的J.Habermehl 等人用该公司的相控阵超声检测系统OmniScanTM PA对飞机上碳纤维增强聚合物基复合材料平板构件进行检测，不仅比传统超声检测速度快而且成像效果好。J.Habermehl 等人还设计了专门检测碳纤维增强聚合物基复合材料弯管的弧形相控阵探头，为检测圆角联接的构件提供了快速可靠的方法。
6 非线性超声检测技术
非线性超声检测是利用超声波在材料中传播时，介质或微小缺陷与它相互作用产生的非线性响应信号，进行材料性能的评估和微小缺陷的检测，本质上反映的是微小缺陷对材料非线性的影响。传统超声无损检测使用的检测超声波幅值极小，即由超声波传播时产生的应力和应变均为极小值，此时介质中超声波的传播遵循线性应力- 应变关系。当使用大幅度的超声波( 有限幅度超声)检测时，超声波传播时受介质应力-应变关系非线性的影响增强，超声非线性响应信号幅度变大，使描述传统超声的线性波动方程增加了谐波部分。把波动方程中的二次谐波与基波（即线性项）的系数比值定义为非线性声参量B / A。非线性声参量B / A 比值的大小反映了超声在传播过程中非线性效应的强弱。B / A 的测量方法有有限振幅绝对测量法、有限振幅相对测量法和改善的热力学方法等。
研究表明，超声波在贴合（Kissing Bonds) 的接触界面上传播显示出非常明显的非线性，出现较多的非常规谐波和非线性波形畸变。英国C.J.Brotherhood 等人用常规超声、电磁超声和非线性超声3 种超声检测方法对在胶接中产生的贴合（非粘接）缺陷进行了检测，并在检测的过程中对接触面施加载荷。在外加载荷较低的情况下，非线性超声具有3 者中最高的灵敏度。
结束语
复合材料由于其结构形式复杂、材料特性多样，单一的超声检测方法难以胜任所有的检测需求。实际检测中，应针对各种复合材料的特点，选择适合的检测方法，或使用多种方法配合，互相补充，来完成不同的检测任务。除上述方法外，电磁超声、声- 超声等方法也可应用于复合材料的缺陷检测，但应用较少，在此不再赘述。超声无损检测的突出优点是对人体无害、成本低、操作简便，它必将在复合材料的无损检测领域中发挥出更大的作用。