CFRP复合材料层板冲击损伤的空气耦合超声无损检测

高双胜，陆 春，薛继佳，杜 量，刚 铁

(1．哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001)(2．沈阳航空航天大学，沈阳 110136)(3．辽宁通用航空研究院，沈阳 110136)

CFRP复合材料层板冲击损伤的空气耦合超声无损检测

高双胜1,2,3，陆 春2，薛继佳3，杜 量3，刚 铁1

(1．哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001)(2．沈阳航空航天大学，沈阳 110136)(3．辽宁通用航空研究院，沈阳 110136)

为了研究冲击能量对2 mm厚CFRP层压板冲击损伤的影响规律，分别采用2、5、8J 3种能量进行冲击试验，通过目视、空气耦合超声C扫描、金相显微镜等对CFRP层压板试样的冲击损伤进行观察检测。试验结果表明：冲击能量为2J时表面无目视可见的损伤，当能量增加至5J、8J时冲击面可见凹坑，背面可见沿0°方向的开裂。冲击能量在2～8J范围内，随着冲击能量的增加，层压板的损伤面积增大。低能量冲击会在层压板内部造成纤维断裂和分层损伤，在能量较低时损伤的投影形状近似呈圆形，在能量较高时近似呈菱形。

复合材料层压板；碳纤维复合材料；冲击损伤；空气耦合超声；无损检测

1 引 言

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer CFRP)层压板具有质量轻、比强度高、结构整体应力分布均匀等优点，在航空航天工业中发挥着越来越重要的作用[1]。层压板的层间力学性能远低于层平面，在装配、维修过程中工具的跌落冲击，或服役过程中砂石、冰雹的撞击等，都可能导致层压板内部产生分层损伤[2]。分层损伤是复合材料层压板最严重的损伤形式，在断裂或损坏之前几乎没有什么先兆，具有突然性，对结构造成致命威胁，因此可靠地检测出复合材料结构的损伤，保证飞行器的安全，具有十分重要的意义[3]。通常冲击试验参考美国材料与试验协会(ASTM)标准或国内航空标准，采用半球形冲头，而实际冲击物的形状多种多样，本试验在ASTM标准基础上将冲头前端铣平，模拟前端带有平面的物体冲击状况。

冲击损伤的检测方法主要有超声波、敲击、红外等方法[4]，从成像质量和可靠性来看，超声检测相对较优，特别是近年来研发出来的空气耦合(简称空耦合)超声检测技术，具有非接触、无污染、效率高等优势，该技术已成为无损检测的研究热点，但国内的研究工作开展相对较少[5]。本文利用自行搭建的空耦合超声检测系统对复合材料层压板的冲击损伤进行无损检测，并对检测结果进行破坏验证，结果表明，检测可靠性较高。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

T300/BMP316纤维/环氧树脂复合材料是一种应用前景较好的航空、航天结构复合材料，该材料抗拉强度高，但抗冲击性差，因此选择这种典型的航空材料进行冲击试验。材料的铺层参数为，[45/-45/90/0/-45/0/45/0/90/0]S。

2.2 冲击试验

由于自由落体冲击可以较好地再现诸如维修工具坠落、设备撞击等低速冲击，故本文采用自由落体冲击试验机对复合材料层压板进行冲击损伤预制。试验参照ASTMD 7136《纤维增强聚合物基复合材料落锤冲击损伤阻抗测量标准试验方法》进行，层压板试样尺寸为255 mm×55 mm×2.0 mm。冲击试验设备型号为Instron CEAST9300落锤式冲击试验机，冲头为端部铣平(圆平面直径6.25 mm)的钢制半球形(直径为12.7 mm)冲头，冲头质量为2.0 kg。通过夹具将层压板试样进行四边简支并固定，冲击点位于层压板中心，在室温环境下对CFRP层压板试样分别采用2、5、8J 3种能量进行冲击试验。

2.3 检测试验

C扫描成像是超声无损检测中发展较早,并且广泛应用的成像技术。常采用喷水穿透法进行检测，以栅格扫描方式对垂直于声束方向的被测试样进行逐点扫描，记录每一点的超声波信号，并且对其渡越时间信号进行采样和模数转换，运用现代信号和图像处理技术在计算机屏幕上直观地显示含有缺陷形状、位置及大小等信息的灰度或伪彩色图像，从而达到评价结构质量的目的[6]。通常水流的稳定性对检测结果影响较大，若采用空气作为耦合介质则可极大地提高成像质量，但空气对超声波衰减比水严重，因此需要从设备和探头两方面入手提高信号强度，这是空气超声检测仪器的难点，也是制约其发展的瓶颈。本文利用自行搭建的空耦合超声C扫描检测系统进行检测，采用一发一收2个探头置于层压板两侧，垂直于层压板入射超声波方式检测。探头频率为200 kHz，晶片直径25 mm。空耦合超声波在板的边缘会发生泄漏，即超声绕过板边缘，这可能造成误判，因此在板的边缘需进行遮挡。

3 结果和讨论

3.1 冲击损伤分析

对受到不同能量冲击作用的CFRP层压板的损伤状况进行目视观察，当冲击能量为2J时，试样冲击部位两侧均无明显的冲击痕迹。当冲击能量为5J时，CFRP层压板冲击试样正面能够观测到较浅的凹坑，试样冲击部位背面沿0°方向开裂，轻微向外凸起。当冲击能量为8J时，试样两侧损伤程度随之增加，试样正面冲击凹坑深度和面积增加，试样背面冲击部位基体裂纹长度也增加，开裂方向仍为0°方向。

3.2 冲击损伤的超声C扫描检测结果分析

如图1所示当超声波穿过试样内无损伤部位时，接收探头收到的信号较强，而穿过冲击损伤部位时，超声波信号大部分甚至全部被反射，另一侧的接收探头只能接收到部分信号，当损伤面积较大时接收探头将接收不到信号，根据接收探头得到的超声信号能量即可判断损伤状况。

图1 超声信号发射、接收示意图

图2为不同冲击能量下试样的空耦合超声C扫描检测图像，图中颜色标尺表示探头接收到的超声波能量即信号的幅值，满屏为100%。颜色越深，超声信号越强，说明试样该部位的质量是完好的，相反颜色越浅，意味着超声信号越弱，对应部位存在冲击损伤。

对比图2中不同冲击能量试样检测结果发现，随着冲击能量的增加，冲击损伤面积变大，如图3所示，在试验所加能量范围内冲击能量与损伤面积近似呈线性增加趋势。另外随着冲击能量的增加，损伤的形状也随之发生变化，当能量较低时(2J、5J)，损伤近似呈圆形，而当能量较大时(8J)损伤近似呈菱形。

图2 冲击损伤的超声C扫描检测图像(a)2J(b)5J(c)8J

图3 损伤面积与冲击能量关系

3.3 无损检测结果的验证

为了验证检测结果的可靠性，对冲击能量为5J的试样通过冲击点沿试样宽度方向进行剖切，制作金相试样，在显微镜下观察断面的损伤情况。如图4所示试样上表面开裂，基体产生了分层并开裂。

图4 冲击损伤部位断面形貌

4 结 语

(1)对于2mm厚CFRP复合材料层压板，冲击能量为2J时表面无目视可见的损伤，当能量增加至5J、8J时冲击面可见凹坑，背面可见沿0°方向的开裂。

(2)冲击能量在2～8J范围内，随着冲击能量的增加，层压板的损伤面积增大。

(3)低能量冲击会在层压板内部造成纤维断裂和分层损伤，在能量较低时损伤的投影形状近似呈圆形，在能量较高时近似呈菱形。

[1] 屈天骄, 郑锡涛, 范献银, 等. 复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析[J]. 航空材料学报, 2011, 31(6): 81-86.

[2] 邓立伟, 陈新文, 王海鹏, 等. 复合材料层合板低速冲击后的力学性能试验研究[J]. 纤维复合材料, 2013，30(3):17-20.

[3] 尹俊杰, 常飞, 李曙林, 等. 损伤位置对复合材料加筋壁板剪切承载能力的影响[J]. 机械工程材料, 2013, 37(7): 68-71.

[4] 刘菲菲, 刘松平, 郭恩明. 复合材料层压结构冲击损伤超声成像评估[J]. 无损检测, 2014, 36(11):1-5.

[5] 陶宁, 曾智, 冯立春, 等. 非接触超声红外热像技术在复合材料检测中的应用[C]//第十届中日复合材料学术会议论文集. 成都, 2012: 33-39.

[6] 高双胜, 刚铁, 桂光正, 等. 铜钢堆焊接头的超声信号特征及质量评价[J]. 焊接学报, 2007, 28 (5): 101-104.

Nondestructive Testing of Impact Damage in CFRP Laminates by Air-Coupled Ultrasound

GAO Shuangsheng1,2,3, LU Chun2, XUE Jijia3, DU Liang3, GANG Tie2

(1.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)(2. Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136)(3．Liaoning General Aviation Academy，Shenyang 110136)

In order to study the effect of impact energy to the impact damage of 2mm thick CFRP laminates, impact tests were taken with energy levels of 2、5 and 8J respectively. The impact damage was evaluated by air-coupled ultrasound non-destructive testing, metallurgical microscope and visual inspections. The results show that there are no visible surface damages when impact energy is 2J, there are dents on impact surface and cracks along the direction of 0°on the back of the impact surface when impact energy gain to 5J and 8J.The damage area of laminates is increased with the increasing impact energy with in 2～8J. Low energy impact will cause fiber breakage and delimitation damage inside the laminates. The projection of the damage approximates to a circular when the energy is low, and approximates to a diamond when the energy is high.

composite laminates; CFRP; impact damage; air coupled ultrasound; nondestructive testing

王荣超(1990-)，女，河北人，硕士。研究方向:聚合物基复合材料。E-mail:1033842970@qq.com.

陈平(1964-)，男，长春人，教授。研究方向:先进聚合物基复合材料。E-mail:chenping_898@126.com.

先进焊接与连接国家重点实验室开放课题研究基金资助(AWJ-M13-05)

2015-08-17)