無損檢測：複合材料的超聲檢測技術
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201701/337440.htm隨著我國航空航天技術的快速發展，各種複合材料應用越來越廣泛。迄今為止，戰鬥機使用的複合材料佔所用材料總量的30%左右，新一代戰鬥機將達到 40% ;直升機和小型飛機複合材料用量將達到70%～ 80%左右，甚至出現全複合材料飛機。複合材料及其構件開發與應用的迅速發展，對無損檢測技術提出了嚴峻的挑戰。經過不斷的研究、開發和完善，目前超聲檢測已成為最主要和成熟的複合材料無損檢測方法之一。由於複合材料結構多種多樣，要求也不盡相同，僅僅利用超聲檢測方法還難以勝任其質量的檢測與評定，實際檢測工作中往往需要針對不同檢測對象和要求，採用不同的檢測技術和方法。
超聲檢測在複合材料研究及其製造中的應用
複合材料無損檢測主要應用於以下3 個方面：材料無損檢測;結構無損檢測;服役無損檢測。材料無損檢測主要解決材料研究中面臨的問題，進行諸如材料內部缺陷表徵、性能測試、缺陷基本判據的建立、無損檢測物理數學模型的建立等研究，其檢測對象主要是試樣、試片。結構無損檢測主要解決結構在工藝制訂、結構件製造過程中面臨的問題，如對各種結構件進行無損檢測所需的儀器設備等檢測手段的建立、信號處理技術、缺陷判別、標準建立與完善等，檢測的對象是各種裝機應用的工程結構件。服役無損檢測主要研究裝機結構件在服役過程中所需的無損檢測方法、手段等，包括提供有關結構件殘餘壽命、剩餘強度、損傷擴展等綜合信息的評估，檢測的對象是裝機後的各種服役結構件。大量的研究和應用表明，超聲檢測是目前對於複合材料最為實用有效、應用最為廣泛的無損檢測技術，它能可靠地檢測出複合材料中的分層、疏鬆、孔隙等大部分危害性缺陷。下表給出了幾種常見複合材料超聲檢測技術的特點。
複合材料製品超聲檢測方法
1 超聲C 掃描檢測技術
超聲探頭接收到的脈衝回波具有不同的圖像顯示方式，常見的有A型顯示、B 型顯示和C 型顯示。A型顯示是基礎，其他兩種顯示方式均由A型顯示的數據重建得到。其中，C 型顯示是一種在一定深度探測的顯示方式，圖像上的縱、橫坐標分別表示探頭在被檢體表面上的縱、橫坐標，所以C型顯示的結果是與掃描平面平行的一幅截面圖像，並作為最常用的顯示結果提供給最終用戶。
超聲C 掃描是具有C 型顯示功能的探傷方法，在宏觀缺陷檢測中，常用頻率為0.5 ～ 25 M H z的探頭，採用脈衝反射法進行檢測。超聲C 掃描由於顯示直觀，檢測速度快，已成為大型複合材料構件普遍採用的技術。目前C掃描檢測技術能夠清晰地檢出複合材料結構中體積分布類缺陷。 K.Lemster 在研究金屬基複合材料的機械性能時，使用超聲C掃描對材料內部的均勻性和裂紋進行了檢測。國內魏勤等人利用超聲C掃描對碳化矽顆粒增強鋁基複合材料試樣進行了檢測，可以清晰地看出材料中的團聚和孔洞。浙江大學王豔穎針對大型非對稱複合材料構件提出了一種超聲C掃描檢測方法，該方法集機器人、反求工程、超聲成像、超聲信號處理等多學科技術於一體，實現了實時檢測時對構件曲面跟蹤和靈敏度實時補償的功能。吳瑞明採用多傳感器信息融合技術，通過仿形測量和重建模型的方法實現了複合材料超聲C掃描的一般過程，準確檢測出了複合材料的缺陷。但如要求有更精確的複合材料定量檢測技術，特別是對於新型複合材料，如縫編結構及陶瓷基複合材料等，要了解和掌握這類材料內部缺陷的分布情況和含量，常規的C掃描往往難以勝任。
2 超聲導波檢測技術
導波是指由於介質邊界的存在而產生的波，在介質尺寸跟聲波波長可比的情況下，介質中的波以反射或折射的形式與邊界發生作用並多次來回反射，發生縱波與橫波間的模態轉換，形成複雜的幹涉，呈現出了多種傳播形式，形成各種類型的導波。導波本質上還是由縱波、橫波等基本類型的超聲波以各種方式組成的。導波的主要特性包括頻散現象、多模式和傳播距離遠。超聲導波檢測是一種快速大範圍的初步檢測方法，一般只能對缺陷定性，而定量是近似的，對可疑部位仍需要採用其他檢測方法才能作出最終的評估。
由於導波檢測具有快速方便的應用特點，目前已成為超聲檢測領域研究的熱點。T . K u n d u 採用L a m b波掃描了複合材料的缺陷，建立了線掃描方法和缺陷成像技術。K . M a s l o v 研究了5 層纖維增強複合材料中使用漏L a mb 波檢測內部缺陷的模式選擇方法，把應力和位移的變化作為是否存在缺陷的判別依據。N.Toyama 研究了複合材料橫向裂紋和分層缺陷對S0 模式L a m b波速度的影響。T . R .H a y 分析了複合材料蜂窩結構中導波的傳播，使用Guided UltrasoNIcs公司生產的應力波分析儀對蜂窩板的脫粘缺陷進行了檢測。法國M.Castaings 等人用Lamb波對EADS-ASTRIUM公司的高壓複合材料油箱進行健康監測，激發了識別為A0 模式的L a m b波，在傳播過程中對碳纖維環氧體複合材料的微裂紋較為敏感，試驗結果有很好的信噪比，為使用中的高壓複合材料油箱提供了無損健康監測的可能性。 M.Castaings等人還在玻璃環氧體複合材料中激發了L a m b 波和S H導波，研究了不同模式下的相速度的變化，獲得的結果與理論有良好的一致性。國內如北京工業大學、同濟大學等研究機構的主要精力集中在大型板殼、管道、鐵軌等方面，其中部分產品已投入實際使用。北京航空航天大學無損檢測研究室開展了大型複合材料板殼粘接質量的超聲導波檢測技術研究，對鋁蒙皮蜂窩板的脫粘缺陷進行了導波線掃描檢測。
3 空氣耦合超聲檢測技術
傳統超聲無損檢測方法由於需要使用耦合劑，無法適用於某些航空航天用複合材料構件的檢測，主要原因是耦合劑會使試樣受潮或變汙，且有可能滲入損傷處，這會嚴重影響構件的力學強度和穩定性。非接觸空氣耦合超聲檢測方法是解決這個問題的可行途徑之一。空氣耦合超聲檢測是以空氣作為耦合介質的一種非接觸超聲檢測方法，它可以實現真正的非接觸檢測，不存在換能器的磨損，可進行快速掃描。另外，空氣耦合超聲檢測容易實現縱波到橫波、板波和瑞利波等的模式轉換，而研究結果表明，在複合材料檢測中，橫波、板波和瑞利波比縱波的靈敏度高，空氣耦合超聲檢測的這一優點有利於實現複合材料的檢測和材料特性的表徵。目前，國外已開始將空氣耦合超聲檢測技術用於某些複合材料板的檢測，可以檢測出脫粘、脫層、氣孔、夾雜和纖維斷裂等缺陷，可以解決傳統液體耦合超聲檢測方法不能解決的問題。但是，空氣耦合超聲檢測的信號衰減很大，聲阻抗較高的材料很難實現在線檢測，必須採用特殊機制來改進，而且採用脈衝回波法進行檢測的難度較大，多數採用穿透法檢測和斜入射檢測。
立陶宛考納斯科技大學的K a z y s 等人採用斜入射同側檢測方式，研究了航空用複合材料垂直結構蜂窩板中A0 模式L a mb 波的板邊回波特性，由於損傷區域有很強的能量洩漏，所以可用於檢測脫粘和結構損傷等缺陷，並估計其大小。波蘭格坦斯克科技大學的Imi el i n s k a等人採用空氣耦合探頭和穿透式超聲C 掃描技術對多層聚合體複合材料的衝擊損傷進行了檢測研究，與X射線檢測結果比較後表明，該方法更快、更方便、更準確，且可用於檢測一些X 射線無法檢測的材料。美國愛荷華州立大學無損檢測中心的H S U 和印度G E 全球研究中心的Kommareddy等合作，利用壓電陶瓷空氣耦合換能器，開展了複合材料零部件的缺陷檢測和修複評價的研究工作，並研製了相應的空氣耦合超聲掃描系統，在飛機零部件陣地探傷中得以使用;英國倫敦大學的Berketis等人利用空氣耦合超聲檢測方法對潛艇用玻璃纖維增強型複合材料的損傷和退化進行了檢測和評價，獲得了用水耦合超聲檢測方法得不到的效果。丹麥國家實驗室的Bo r u m 與丹麥工業大學的Berggreen等人合作，利用空氣耦合超聲波，採用穿透法，對海軍艦艇用層狀疊合複合材料板進行檢測，結果顯示，該方法可以檢測出上述材料板中的脫粘。
4 雷射超聲檢測技術
雷射超聲是目前國內外研究最活躍的非接觸超聲檢測方法之一。它利用高能量的雷射脈衝與物質表面的瞬時熱作用，在固體表面產生熱特性區，形成熱應力，在物體內部產生超聲波。雷射超聲檢測可分3種：一種用雷射在工件中產生超聲波，用P Z T 等常規超聲探頭接收超聲波進行檢測;另一種用P Z T等常規超聲波探頭激勵超聲波，用雷射幹涉法檢測工件中的超聲波;還有一種用雷射激勵超聲波，並用雷射幹涉法檢測工件中的超聲波，此法是純粹意義上的雷射超聲檢測技術。超聲波的激勵或探測可通過雷射進行，不需要耦合劑，因而可實現遠距離非接觸檢測，檢測距離可從幾十釐米到數米。所激發的超聲波具有很寬的頻帶，從幾百kH z到幾G Hz，可用於薄膜測量分析等一些特殊應用場合。而且探測雷射可聚焦到非常小的點，可實現高達數微米的空間分辨力。此外，雷射超聲源能同時激發縱波、橫波、表面波以及各種導波，是試驗驗證各種複雜媒質中聲傳播理論的有效手段。近年來，已發展成超聲學中的重要分支，並在雷射超聲信號的激發與接收、傳播以及應用等方面取得很大進展。
雷射超聲檢測的快速、遠距離和高分辨力等特性適用於常規壓電檢測技術難以檢測的形狀結構較複雜或尺寸較小的複合材料以及材料的高溫特性等研究，如飛機上各個部件的定位和成像等。加拿大A.Blouin用雷射超聲研究了蜂窩芯複合材料的分層、脫粘等缺陷。美國洛克希德·馬丁公司開發了 LaserUT 雷射超聲檢測系統，在檢測F -22 複合材料構件時獲得了清晰的B 掃描、C掃描圖像，不需要任何特殊夾具，檢測時間大大縮短，達到了傳統超聲無法達到的效果。國內錢夢騄等在雷射超聲的特性和檢測各種材料的力學特性方面進行了大量的研究。劉松平研究了碳纖維增強樹脂基複合材料中常見缺陷的雷射超聲信號特性與缺陷識別評估方法。利用雷射發射-超聲接收檢測系統有效地提取了反映複合材料中缺陷的聲波信息，並可進行缺陷的判別，確定缺陷的性質。
儘管雷射超聲在複合材料檢測中取得了很大的進展，但現階段仍存在 2個主要問題：一個是光聲能量的轉換效率較低;另一個是雷射超聲信號微弱，需要提高檢測靈敏度。適當增大雷射的能量，可提高雷射超聲信號強度。但當能量增大到一定程度時，又容易將材料的表面灼傷。因此，揭示雷射發聲機理、提高光聲轉換效率及其檢測靈敏度已成為雷射超聲研究的3個主要方向。
5 相控陣超聲檢測技術
相控陣超聲檢測技術是一種多聲束掃描成像技術，它所採用的超聲檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，陣列單元在發射電路激勵下以可控的相位激發出超聲，產生的球面波在傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束。
相控陣超聲探頭由晶片陣列組成，各聲束相位可控，可用軟體控制聚焦焦點，不移動探頭或儘量少移動探頭就能掃查厚大工件和形狀複雜工件的各個區域。通過優化控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，使得相控陣超聲在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優越性。
在實際的檢測應用和研究中，設計形狀巧妙的探頭已成為解決可達性差和空間限制問題的有效手段，英國R.J.Freemantle等人用一種新穎的相控陣超聲探頭檢測大面積航空複合材料構件，把相控陣陣列安裝在橡膠滾輪中，該滾輪既可手動也可自動控制，能有效檢出航空複合材料構件中的裂紋及未貼合等缺陷。 Ol y m p u s 無損檢測公司的J.Habermehl 等人用該公司的相控陣超聲檢測系統OmniScanTMPA對飛機上碳纖維增強聚合物基複合材料平板構件進行檢測，不僅比傳統超聲檢測速度快而且成像效果好。J.Habermehl等人還設計了專門檢測碳纖維增強聚合物基複合材料彎管的弧形相控陣探頭，為檢測圓角聯接的構件提供了快速可靠的方法。
6 非線性超聲檢測技術
非線性超聲檢測是利用超聲波在材料中傳播時，介質或微小缺陷與它相互作用產生的非線性響應信號，進行材料性能的評估和微小缺陷的檢測，本質上反映的是微小缺陷對材料非線性的影響。傳統超聲無損檢測使用的檢測超聲波幅值極小，即由超聲波傳播時產生的應力和應變均為極小值，此時介質中超聲波的傳播遵循線性應力-應變關係。當使用大幅度的超聲波(有限幅度超聲)檢測時，超聲波傳播時受介質應力-應變關係非線性的影響增強，超聲非線性響應信號幅度變大，使描述傳統超聲的線性波動方程增加了諧波部分。把波動方程中的二次諧波與基波(即線性項)的係數比值定義為非線性聲參量B/ A。非線性聲參量B / A 比值的大小反映了超聲在傳播過程中非線性效應的強弱。B / A的測量方法有有限振幅絕對測量法、有限振幅相對測量法和改善的熱力學方法等。
研究表明，超聲波在貼合(Kissing Bonds)的接觸界面上傳播顯示出非常明顯的非線性，出現較多的非常規諧波和非線性波形畸變。英國C.J.Brotherhood等人用常規超聲、電磁超聲和非線性超聲3種超聲檢測方法對在膠接中產生的貼合(非粘接)缺陷進行了檢測，並在檢測的過程中對接觸面施加載荷。在外加載荷較低的情況下，非線性超聲具有3者中最高的靈敏度。
結束語
複合材料由於其結構形式複雜、材料特性多樣，單一的超聲檢測方法難以勝任所有的檢測需求。實際檢測中，應針對各種複合材料的特點，選擇適合的檢測方法，或使用多種方法配合，互相補充，來完成不同的檢測任務。除上述方法外，電磁超聲、聲-超聲等方法也可應用於複合材料的缺陷檢測，但應用較少，在此不再贅述。超聲無損檢測的突出優點是對人體無害、成本低、操作簡便，它必將在複合材料的無損檢測領域中發揮出更大的作用。