超声检测在复合材料中的应用现状

朱学耕

（中国人民解放军装甲兵工程学院，中国 北京 100072）

复合材料具有高强度、低密度、易加工成型、弹性良好、耐腐蚀等优点[1]，已广泛的应用在航空航天、汽车以及船舶关键零件的制造，其中在航空航天领域发展最快，在旧一代的战斗机中复合材料已占使用材料总量的30%，在小型飞机中复合材料所占的比重能够达到80%左右，甚至某些小型飞机已实现完全复合材料化[2]。复合材料在航空航天领域的广泛使用，使得对其进行质量检测尤为重要，由于复合材料的造价较高，因此需要对其保持无损检测，常用的无损检测方法有上百种，经过不断的实践，目前超声检测是对其进行质量监测的最常用、最成熟的检测方法。

1 超声检测原理

超声检测的发展已经有一百年的历史，在其应用的案例中，主要是应用反射法和透射法进行检测。反射法就是声波在传播的过程中遇到缺陷后声波沿着相反的路径返回，反射的声波被晶片吸收，进而通过检测仪对接收的信号进行处理最后形成缺陷信号；透射法一般是两个探头放在工件对称的位置，一个探头发射声波，另一个探头接收透射的声波，根据接收声波的回波声压判断工件中是否有缺陷。

2 超声检测在复合材料中的应用

对于复合材料来说，超声检测主要应用于对服役构件的在役检测，以及对复合材料的性能无损表征，本文主要从这两个方面对其进行综述。

2.1 缺陷检测

金属零件内的缺陷超声检测方法同样的适用于复合材料中缺陷评价，对于其内部的孔状缺陷来说目前主要是利用超声C 扫描、相控阵超声检测、超声导波检测技术等。

超声C 扫描是超声检测的一种显示方式，它是在A 信号的基础上对信号进行处理，得到的一种垂直于缺陷的显示结果，它具有显示直观，操作简便，可以对缺陷进行定量分析等优点，而且对孔状缺陷的显示比较清晰。国内有江苏大学的魏勤利用超声C 扫描对SiC 颗粒增强铝基复合材料试件进行研究，研究表明利用该方法能够清晰的检测到材料中的孔状缺陷，并且能够对材料中的团聚现象有一定的显示[3]。浙江大学将机器人、反求工程、超声信号处理技术与超声C 扫描技术集为一体，实现了对复合材料检测灵敏度实时的补偿，并且这一改进能够实现对曲面构件的实时检测[4]。除此之外，浙江大学还将仿真检测与实际检测相结合，实现了对超声C 扫描一般过程的认识，并且能够准确的检测出复合材料内部的缺陷。然而超声C 检测对于一些缺陷检测精度要求更精确的复合材料来说还是显得有一定的困难，而实际中对于一个工件的完全检测也并不是一种超声检测方法能够胜任的，通常对于一个工件的检测常常应用几种超声检测方法，有时也会应用其他的无损检测手段，比如红外热成像检测方法。

相控阵超声检测是超声检测中比较先进的一种检测手段，近年来，以其偏转、聚焦的优势而广泛的应用在常规超声检测不能够完成的复杂构件中，而且针对超声相控阵检测还设计了专用的仿真检测软件，能够在优化实验方案方面节省很大的费用，并且能够更加的清楚声波的传播以及与缺陷的相互作用，使检测更加的直观。GE 科技有限公司利用相控阵超声检测方法实现了航空件中的T 型复合材料以及飞机蒙皮粘接层的检测，利用相控超声探伤仪对它们的内部缺陷成像[5]，并通过B 扫描或者S 扫描增加了缺陷的扫查范围，提高了检测效率，和缺陷识别的准确性，并节省了检测成本。中材科技风电叶片股份有限公司，利用该技术对复合材料样板的无缺陷区域、有缺陷区域以及修复区域进行成像，通过对比能够清晰的看出缺陷的分布，证实了超声相控检测在复合材料中具有良好的应用[6]。

2.2 性能评价

超声波能够对金属零件的硬度、弹性模量、衰减性等进行评价，利用相同的方法超声波可以对复合材料的这些性能进行评价，并且能够对其孔隙率进行测量。对于复合材料来说孔隙率是其重要的一个性能参数，孔隙率过大会导致材料内部疏松，直接导致材料的力学性能下降。因此对孔隙率的检测显得十分重要。

对于复合材料来说常用的孔隙率测定方法主要有超声声速法、超声衰减法、微波法等，然而每一种方法并不是直接的给出孔隙率的大小，而是间接的获得对应的相互关系。在上述的三种方法中应用最多的是超声衰减法，它主要是利用频率的变化曲线斜率与超声孔隙百分率之间的关系建立数学模型进而评价复合材料的孔隙率，除此之外也可以根据超声波透过复合材料后的衰减量的大小，计算孔隙率与声束面积之比。对于复合材料孔隙率的测量，北京航空材料研究院利用超声C 扫描对材料中的孔隙率进行研究[7]，研究表明：在复合材料中，孔隙率的大小与其材料的声波衰减性有一定的对应关系，表现为声波的衰减与孔隙率呈现线性关系，即孔隙率增大，衰减性增大；孔隙率降低，衰减性降低。除此之外，孔隙率的大小和材料的力学性能也有一定的关系，通过对孔隙率大小、声波衰减性的测定，可以将三者相联系，进而得到一定条件下材料力学性能、超声衰减性能、材料孔隙率之间的对应关系，从而完成对材料的力学性能的评价。

3 超声检测在复合材料中应用的难点

超声检测对于结构比较规则的构件来说应用比较方便，当结构比较复杂的情况下，超声波的应用将受到一定的限制，主要原因是复杂的几何形状会使探头无法接收到反射声波的能量，从而无法对材料的质量进行评价。

4 发展与展望

随着航空航天事业的发展，对复合材料的质量要求将越来越高，如何快速的对其进行质量检测是值得大家思考的一个问题，因此未来超声检测将面向快速检测、自动化检测的方向发展，同时超声探伤将会从对材料的质量检测像对材料的质量评价的方向发展。

［1］邱晓丹.绿色复合材料制备及其在声学仪器领域的应用[D].东华大学，2014.

［2］沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2010，35：1-4.

［3］魏勤，张迎元，乐永康，等.超声C 扫描成像系统在SiC_p/Al 复合材料无损检测中的应用[J].材料开发与应用，2003，18：38-41.

［4］王艳颖，吴瑞明，周晓军，等.大型非对称复合材料构件超声C 扫描技术研究[J].浙江大学学报：工学版，2004，38：1208-1211.

［5］罗云林，耿智军.基于超声相控阵的飞机蒙皮检测技术研究[J].测控技术，2014，33：131-134.

［6］李怀富，李业书，吕贵平，等.超声无损检测技术在风电叶片上的应用[C]//第十八届玻璃钢/复合材料学术年会论文集.2010.

［7］何方成，史亦韦.树脂基复合材料孔隙率超声表征技术研究[J].航空材料学报，2006，26(3)：355-356.