背景

復合材料因其*的可設計性、抗疲勞,、抗腐蝕以及較高的減重效率,，已經(jīng)成為目前各種先進飛機結構的必選材料,。復合材料在*飛機上的應用比例逐年提高,，波音787飛機復合材料應用比例已經(jīng)超過50%，空客從A310的5% 復合材料到A380的25%，最新研制的A350XWB已經(jīng)超越波音787的復合材料用量,，達到53%,。

目前航空先進復合材料零件使用最多的是樹脂基碳纖維增強復合材料，高性能的碳纖維復合材料滿足了航空領域發(fā)展的需要,，國內(nèi)外已將其大量用于飛機局部增強作用的角材,、隔板、肋等結構部件,，以及機翼,、尾翼、升降舵等承力結構件,。除了大型壁板外,，復合材料制件截面多為L形或L形的變形體。具有L形結構的先進復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,，并且此類零件的結構也更利于盒段等部件的裝配。

超聲檢測,，尤其是相控陣超聲檢測方法是碳纖維復合材料常用的方法之一,，在一般的超聲檢測人員眼中碳纖維復材是比較難檢測的一種材料，原因是其纖維結構可能會導致聲波衰減嚴重,，聲穿透性較差,。但實際情況是不同行業(yè)的碳纖維復合材料，不同的制作工藝會使其可檢性產(chǎn)生巨大差異,。

比如航空航天用碳纖維復合材料的衰減就非常小,，對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,。

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

2. 超聲相控陣檢測方案

（1） 碳纖維平板類層壓復合材料

這種類型的碳纖維復合材料是最常見的一種，其形狀簡單,，多為平板類,，通過多層鋪疊方式成型，聲衰減較小,。

因而這類復合材料大多可以采用滾輪式相控陣探頭檢測方法進行檢測,。

下面是對這類復合材料的檢測結果,，可以看到對于變厚度（1.2mm~12mm）的復合材料工件，可以清晰看到不同厚度,、不同深度的缺陷情況,，并通過C掃描（投影視圖）顯現(xiàn)出來。

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,。

（2） 碳纖維蜂窩結構件檢測

碳纖維蜂窩結構的復合材料由于其高強度的耐壓能力，最早被用于航空航天的重要支撐結構上,。隨著技術的發(fā)展,，蜂窩結構復合材料也被廣泛用于包括鐵路、建筑裝飾,、船舶等多個領域,。

碳纖維蜂窩結構復合材料的檢測歷來都是檢測的難點，之前的航空航天蜂窩復合材料檢測主要使用超聲噴水系統(tǒng)進行檢測,，系統(tǒng)結構復雜,，造價昂貴，且效率不高,，只用于航空航天行業(yè)復雜形狀且檢測要求較高的環(huán)境使用,，且需要遵循航空航天行業(yè)標準。而且碳纖維蜂窩結構比鋁合金蜂窩結構由于其蒙皮壁厚更薄,，更加難以檢測,。

使用輪式相控陣探頭RollerForm，配合Omniscan系列相控陣檢測設備,，可以便捷高效地對蜂窩結構復合材料進行檢測,，具有檢測效率高，成像直觀等特點,。

下圖是碳纖維蜂窩結構的C掃描圖像,，圖中可以清晰看出蜂窩的結構和排布。

（3） 碳纖維復合材料R角檢測

CFRP拐角類零件有很多種結構,，基于結構的不同,，需要特定的檢測設置，特定的探頭和楔塊,，才能得到好的檢測結果,。

超聲相控陣技術可以很好地檢測R角復合材料工件的R角部位，基本原理與常規(guī)超聲相同,，因而為了使用0度角進行拐角檢測,，超聲聲束必須垂直入射表面。為了達到該目的,，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角工件檢測結果，如下圖所示,。由下面檢測圖像可見,，從C掃描圖像中可以看到一個疑似的微小點狀的氣孔，而從S掃描和A掃描中同樣可以看到該缺陷信號,。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） 碳纖維復材結構翻邊檢測

碳纖維復材除了前面講到的平板類,，還有很多的異形結構件,，其中較多的一種結構是帶翻邊的結構件，其翻邊部位由于寬度較窄,，壁厚較薄,，常規(guī)的檢測方法很難快速高效的對其進行檢測，或者會產(chǎn)生較大的盲區(qū),。

通過使用迷你滾輪探頭EdgeForm配合Omniscan超聲相控陣設備,，可以有效地解決這一問題。

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,，以應對不同寬度的翻邊，其滾輪表面潤濕以后,，只需少量水即可實現(xiàn)工件表面的良好耦合,。

下面是EdgeForm檢測碳纖維復材翻邊部位的檢測結果，可以清晰看到翻邊部位的表面回波和底面回波,，未見明顯缺陷信號,。

使用EdgeForm檢測另外一個異形結構CFRP工件，可以發(fā)現(xiàn)兩個自然分層缺陷如下

3. 低頻超聲碳纖維復合材料檢測方案
一發(fā)一收模式用于檢測帶有蜂窩結構的碳纖維復合材料,，使用一個雙晶,、點接觸、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)鞑セ貋淼穆暷?。在粘接完好的條件下,，部分聲能由于蜂窩結構的吸收而產(chǎn)生衰減。當探頭被放置在脫粘區(qū)域上時,，傳播到接收單元的聲能會變得很大,，并會引起波幅的變化,。

一收一發(fā)檢測模式包括三種檢測方法：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，儀器可以檢測到好和壞位置的振幅和相位差別,，然后通過放置閘門在一個合適的位置,，以監(jiān)控缺陷對信號的影響。

脈沖法：該方法不像射頻模式,，它的數(shù)據(jù)在顯示之前會通過一個過濾器,，儀器可以檢測到好和壞位置的振幅和相位差別，然后通過放置閘門在一個合適的位置,，以監(jiān)控缺陷對信號的影響,。

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

掃頻模式：該方法頻率不像上兩個方法是固定,，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,。當環(huán)形信號超出了中間的閘門框,，則認為發(fā)現(xiàn)了缺陷。該方法的優(yōu)點是使用多頻掃查,，而且提離信號與缺陷信號差異明顯,。

4. 空氣耦合超聲檢測

空氣耦合超聲檢測（ACU）是一種非接觸式的無損檢測方法，但空氣耦合超聲方法需要解決固體和空氣介質之間的巨大的聲學差異導致的聲衰減,。這種聲衰減可能會大于160dB,，而且這種衰減與頻率相關。因此所使用的頻率限定在大約500kHz,。因此常規(guī)超聲設備無法用于空氣耦合超聲檢測中,。
下面是空氣耦合超聲檢測系統(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構的超聲檢測結果,，該結構為CFRP（碳纖維增強復合材料）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分層缺陷。缺陷處的振幅降低了18dB,，并清晰可見,。并通過軟件自動計算缺陷面積為2490mm2。

5. 激光錯位散斑檢測技術
激光錯位散斑檢測方法的原理如下圖，激光器發(fā)出的相干光經(jīng)過擴束鏡照射被檢測物體,，其漫反射表面產(chǎn)生散斑場,。分束鏡和兩個反射鏡產(chǎn)生的兩束光（兩幅錯位的圖像）在CCD處疊加成一幅圖像。物體上的兩個點P1和P2（簡稱“對點"）,，成像后疊加為一點P,，形成散斑圖，可通過計算機看到,。如果有缺陷則表面會產(chǎn)生異常的離面位移,，在圖像對應位置處可會出現(xiàn)異常的條紋圖或相位圖。通過條紋異常區(qū)的特征可識別缺陷的位置和大小,。

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

航空領域包括：飛機機翼層壓板、蜂窩板等的缺陷和粘接性能檢測,、發(fā)動機橡膠粘接產(chǎn)品的粘接質量檢測,、直升機復合材料槳葉的缺陷檢測、各種航空零部件,、結構件層壓板,、蜂窩板、膠接結構和泡沬夾芯結構等的檢測,。

6. 結論
碳纖維復合材料檢測通過超聲相控陣技術,、低頻超聲技術等多種技術手段，可以利用每種技術各自的優(yōu)勢,，得到理想的檢測效果,。尤其是超聲相控陣技術的迅猛發(fā)展，使得其在碳纖維復合材料檢測中的應用越來越廣泛,，成為復材檢測的方案,。