复合材料的超声检测技术知识.docx

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1、复合材料的超声检测技术知识随着我国航空航天技术的快速开展，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，新一代战斗机将到达40% ；直升机和小型 飞机复合材料用量将到达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开展，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。由于复合材料构造多种多样，要求也不尽一样，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

2、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；构造无损检测；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，开展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。构造无损检测主要 解决构造在工艺制订、构造件制造过程中面临的问题，如对 各种构造件开展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构造件。服役无损检测主要研究装机构造件在服役过程中所需 的无损检测方法、手段等，包括提供有关构造件剩余寿命、 剩余强度、损

3、伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机 后的各种服役构造件。大量的研究和应用说明，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 大局部危害性缺陷。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型显示是根底， 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外表上的纵、横坐标，所以C型 显示的结果是与扫描

4、平面平行的一幅截面图像，并作为最常 用的显示结果提供应最终用户。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0.525MHz的探头，采用脉冲反 射法开展检测。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构造中体积分布类缺陷。 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开展了检测。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开展 了检测，可以清晰地看出材料中的团聚和孔洞。#大学王艳颖针对大型非对称复合材料构件提出了 种超声C扫描检

5、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。但如要求有更准确的复合材料定量检测技术，特别 是对于新型复合材料，如缝编构造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 与边界发生作用并屡次来回反射，发生纵波与横

6、波间的模态 转换，形成复杂的干预，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Lamb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 1。v研究了 5层纤维增强复合材料中使用漏L a mb波检测内部缺陷的模式选择方法

7、，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SO模式L a mb波速度的影响。T . R .H a y分析了复合材料蜂窝构造中导波的传播，使用Guided Ultrasonics公司生产的应力波分析仪对蜂窝板的脱粘缺陷 开展了检测。法国M. Castaings等人用Lamb波对EADS-ASTRIUM公司 的高压复合材料油箱开展安康监测，激发了识别为A0模式 的La mb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安康监测的可能性。M. Castaings 等

8、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#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，其中局部 产品已投入实际使用。#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开展了导波线扫描检测。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

9、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，可开展快速扫描。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，而研究结果说明，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

10、的材料很难实现在线检测，必须采用特殊机制来改良，而 且采用脉冲回波法开展检测的难度较大，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构造蜂窝板中A0 模式L a mb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构造损伤等缺陷，并估计其 大小。波兰格坦斯克科技大学的Imi el 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 材料的冲击损伤开展了检测研究，与X射线检测结果比拟后 说明，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

11、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，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 的损伤和退化开展了检测和评价，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Bo r u m与丹麦工 业大学的Berggreen等人，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开展检测，结果显示， 该方法可以检测出上述材料板中的脱

12、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外表的瞬时热作 用，在固体外表产生热特性区，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开展检测； 另一种用P Z T等常规超声波探头激励超声波，用激光干预 法检测工件中的超声波；还有一种用激光激励超声波，并用 激光干预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开展，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

13、的频带，从几百kHz到几GHz, 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、外表波以及各种导波， 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, 已开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构造较复杂或尺寸较小 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

14、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，到达了传统超声无法到达的效果。国内钱梦届等在激光超声的特性和检测各种材料的力 学特性方面开展了大量的研究。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，并可开展缺陷的判别，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，又容易将材料的外表灼伤。因此，揭露激 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。