复合材料中碳纤维方向和弯曲缺陷的微波检测

杨玉娥， 闫天婷， 任保胜

(1.济南大学机械工程学院，济南 250022;2.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124;3.济南大学材料科学与工程学院，济南 250022)

碳纤维复合材料是用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料，先进树脂基复合材料在综合性能上与铝合金相当，但比刚度、比强度高于铝合金［1］。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，以及在高温、化学稳定性要求高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势;在土木建筑、交通运输、航空工业以及化工等领域得到广泛应用，但是复合材料在生产过程中工艺不稳定，缺陷无法完全避免。鲍永杰等［2］研究发现纤维方向对钻孔缺陷的形成有严重的影响;轴向力越大，分层缺陷越严重，并且撕裂缺陷迅速增大。徐志伟等［3］研究了异形截面碳纤维对复合材料力学性能的影响，结果表明，异形截面碳纤维复合材料的力学性能和T300环氧复合材料接近，对液体的浸润性能好，但纤维在材料中的分布均匀性差。杨岩［4］针对U-3160单向碳纤维织物组织结构松弛、布面不平整和纤维弯曲现象，在预浸前对其进行了必要的整理改进，从而有效减少了预浸料中碳纤维的弯曲现象，研究结果表明，改善后的复合材料，力学性能得到了明显的提高。李娜等［5］通过研究不同铺层方向层合板的力学性能发现，铺层方式对模板、补片和胶层上的应力分布影响很大，应力主要集中分布在0°方向铺层上。李丽英等［6］发现碳纤维织物的结构形式对复合材料的力学性能有很大的影响。

为了保证碳纤维复合材料的质量，需要对复合材料中的碳纤维进行检测。王兵等［7］利用声发射技术对碳纤维复合材料的弯曲损伤进行了研究，结果表明，碳纤维铺层在损伤与断裂不同阶段所释放的声发射信号特征不同，声学检测能有效的监测其剪切分层、张力分层和混合分层过程，有效判断碳纤维复合材料内部活动过程和判定损伤类型，在碳纤维复合材料结构与完整性评价中有良好的应用价值。

微波无损检测可以进行快速的扫描检测，其中接触式检测是空气耦合，不需要耦合剂，不会对检测材料造成污染，因此是一种适合碳纤维复合材料无损检测的新方法。目前国外专家针对碳纤维复合材料的微波检测进行了研究，Akuthot等［8］利用终端开口矩形波导对碳纤维复合材料与砂浆基体间的脱粘进行了近场微波无损检测，研究表明，在10GHz和24GHz时利用微波检测技术可以检测的脱粘最小尺寸分别为2cm 和0.5cm。Kharkovsky等［9］利用双极化近场微波反射计检测了碳纤维复合材料与水泥混凝土间的脱粘，这种方法可以消除提离距离对检测结果的影响。Sediq等［10］利用近场微波成像技术对碳纤维复合材料内部的空隙进行了检测研究，仿真结果显示不同位置的能量分布与理论结果相同。由于矩形波导和圆形波导极化方向的不同，在检测空隙时圆形波导更具有优势。Lopoto等［11］利用太赫兹成像技术对多种复合材料的内部缺陷和纤维进行了检测，结果表明:信号的反射脉冲可以表征钢板与陶瓷层间的脱粘缺陷;太赫兹成像技术可以表征玻璃纤维复合材料内部的缺陷和玻璃纤维的方向、分布等;对碳纤维复合材料的检测表明，微波信号可以表征复合材料表面粗糙度和复合材料中纤维的方向。

朱正吼［12］研究了碳纤维方向对复合材料介电常数的影响，结果表明纤维方向不同时复合材料的介电常数会发生明显的变化。黄远等［13］研究了碳纤维毡中纤维形貌对复合材料吸波性能的影响，表明碳纤维的表面形貌会对复合材料的微波反射产生一定的影响。刘新等［14］通过研究异形截面碳纤维复合材料的吸波性能发现，碳纤维的截面不同会对复合材料的反射率造成明显的影响。Fu等［15］研究了定向分布碳纤维复合材料的介电性能，结果表明，在微波频率段纤维的方向会影响复合材料的介电特性。因此，可以利用微波的反射系数表征复合材料中碳纤维方向的变化和碳纤维缺陷的有无。

综上所述，利用微波技术对碳纤维复合材料进行无损检测已经成为无损检测领域的热点和难点之一，迄今为止，主要检测碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘，对复合材料本身的特性检测还很不完善。如何利用微波技术对碳纤维复合材料的内部特性进行检测未见报道，本工作利用N5225A网络分析仪对复合材料中的碳纤维方向和缺陷进行了微波无损检测。

1 实验

1.1 试样

通过热压罐和模压工艺将T700预浸料加工成三层碳纤维复合板，即把铺设好的层合板在0.05MPa、140℃状态下放置4小时，自然冷却至室温，取出即得试样。试样分为两组:即不同纤维方向的试样和纤维弯曲变形的试样。图1为两种纤维方向试样的示意图，图1a表示三层的碳纤维方向为0°/0°/0°，图1b 表示三层的纤维方向为 0°/90°/0°。检测中间层缺陷时采用碳纤维方向为0°/90°/0°的试样，图2为中间层纤维缺陷的复合材料试样，图2a为无缺陷的试样示意图;图2b为有缺陷的试样示意图;图2c为有弯曲缺陷试样的实物图。弯曲缺陷的形成:利用两个针状物，与纤维成90°角度施加方向相反的外力，使纤维与0°方向呈现一定的角度，以此作为预设的纤维弯曲缺陷。

图1 试样中的碳纤维方向Fig.1 Carbon fiber direction in samples(a)0°/0°/0°;(b)0°/90°/0°

图2 试样中的碳纤维缺陷 (a)无纤维弯曲的中间层模型;(b)有纤维弯曲的中间层模型;(c)有纤维弯曲的中间层试样Fig.2 Carbon fiber defects in samples (a)model of the middle layer without bending fiber;(b)model of the middle layer with bending fiber;(c)sample of the middle layer with bending fiber

1.2 检测装置

微波检测复合材料的实验装置如图3所示，主要包括N5225A网络分析仪、同轴电缆、矩形波导探头。由网络分析仪N5225A(安捷伦)通过同轴电缆向矩形波导探头R281A提供30～40GHz的微波信号，矩形波导探头既作为发射探头又作为接收探头，记录微波信号的反射系数幅值和相位。为了保证探头与复合材料的良好接触，检测中施加一定的外力。

检测不同的复合材料试样时，波导口的长边与第一层的碳纤维方向平行，以降低第一层的碳纤维对检测结果的影响。碳纤维方向的检测，分别记录0°/0°/0°和 0°/90°/0°碳纤维复合材料的反射系数相位和幅值;碳纤维缺陷的检测，分别记录中间层有无缺陷复合材料的反射系数相位和幅值;计算相位差和幅值差。

图3 实验装置Fig.3 Experimental device

2 结果与分析

2.1 纤维方向检测

图4 为碳纤维方向0°/0°/0°和0°/90°/0°的复合材料的微波反射系数幅值和幅值差。图4a为两种复合材料的微波反射信号幅值，0°/90°/0°的碳纤维复合材料的反射系数幅值随频率基本不变，并且与全反射的幅值1比较接近;0°/0°/0°的碳纤维复合材料板的反射系数幅值随工作频率的增大而下降，同频率下的反射系数幅值比0°/90°/0°的碳纤维复合材料板的要小。图4b显示了两种纤维方向的复合材料的微波反射系数幅值差，在40GHz时幅值差最大，为0.37。造成这两种复合材料对微波信号反射系数不同的原因是中间层的纤维方向。在整个层压板的范围内，0°/90°/0°的复合材料板中碳纤维呈网状结构，对微波信号的反射能力较强，反射系数幅值接近全反射幅值1;而0°/0°/0°的复合材料板中碳纤维束是同一个方向，微波信号可以通过纤维束间的狭缝进入复合材料中，致使其反射系数幅值降低。

图4 反射系数幅值(a)和幅值差(b)与频率的关系Fig.4 Relations of reflection coefficient amplitudes vs frequencies(a)and amplitude differences vs frequencies(b)

图5 反射系数相位(a)和相位差(b)与频率的关系Fig.5 Relations of reflection coefficient phases vs frequencies(a)and phase differences vs frequencies(b)

图5 为0°/0°/0°和 0°/90°/0°的复合材料的微波反射系数相位和相位差。图5a为反射系数的相位，在30 ～40GHz范围内，0°/90°/0°的碳纤维复合材料的微波反射系数相位随频率的增大程减小趋势，但是减小幅度不大，整个频率范围内相位值接近全反射的 180°;在 30 ～40GHz范围内，0°/0°/0°的碳纤维复合材料的微波反射系数相位随工作频率的增大也呈减小趋势，减小幅度相对较大，在10GH的频率变化范围内，相位差减小了40°。图5b为两种复合材料的微波反射系数相位差，相位差随着工作频率的增大而呈上升趋势，主要是由两种复合材料的反射系数相位对工作频率变化的敏感程度不同造成的。

实验结果表明，利用微波信号的反射系数幅值和相位可以表征中间层碳纤维的方向，在最高频率点40GHz时，两种复合材料的微波信号反射系数幅值差达到37%的灵敏度，相位差达到23%的灵敏度。

2.2 纤维弯曲缺陷检测

图6为中间层有/无弯曲缺陷的碳纤维复合材料的微波信号反射系数幅值和幅值差。图6a为反射系数幅值，由于两种复合材料板中间层的纤维相对于顶层的纤维方向都是90°，整个复合材料板中的碳纤维形成网格状，因此反射系数幅值都接近于全反射时的值1，但两者之间还有差距，在38GHz时差值最大;为了更清楚的表达两者的差距，绘制了微波信号反射系数幅值差，如图6b，幅值差随频率的增大并不是线性变化的，在38GHz频率点出出现了波峰，波峰值为0.047，即在此工作频率时检测的灵敏度最高可以达到4.7%，检测灵敏度比检测不同纤维方向试样时降低了。

图6 有无弯曲缺陷的反射系数幅值(a)和幅值差(b)与频率的关系Fig.6 Relations of reflection coefficient amplitudes vs frequencies(a)and amplitude differences vs frequencies(b)of the samples with and without bending defect

图7为中间层有/无弯曲缺陷的碳纤维复合材料的微波信号反射系数相位和相位差。图7a为反射系数相位，相位随着频率的增大而减小，在33～38GHz频率范围内，两者产生了明显的差异，有弯曲缺陷复合材料的反射相位明显减小;图7b为两者相位差，在35.5GHz附近出现了明显的波峰值，相位差最大为2.69°，此工作频率称为敏感工作频率，在敏感工作频率点进行检测可以达到1.5%的检测灵敏度。

图7 有无弯曲缺陷的反射系数相位(a)和相位差(b)与频率的关系Fig.7 Relations of reflection coefficient phases vs frequencies(a)and phase differences vs frequencies(b)of samples with and without bending defect

3 结论

(1)微波反射系数幅值和相位都可以表征纤维方向为 0°/0°/0°和 0°/90°/0°的碳纤维复合材料的区别。在最高频率点40GHz时，两种复合材料的微波信号反射系数幅值差达到37%的灵敏度，微波信号反射系数相位差达到23%的灵敏度。

(2)微波反射系数幅值和相位可以表征中间层碳纤维弯曲变形的缺陷。在38GHz工作频率点，利用反射系数幅值进行表征，检测的灵敏度最高可以达到4.7%;在35.5GHz工作频率，利用反射系数相位进行表征，可以达到1.5%的检测灵敏度。

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