碳纤维增强树脂基复合材料涡流检测的发展现状与展望

杜飞 焦少妮 曾志伟

（厦门大学航空系，福建厦门 361005）

碳纤维增强树脂基复合材料涡流检测的发展现状与展望

杜飞 焦少妮 曾志伟

（厦门大学航空系，福建厦门 361005）

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）以其优越的性能得到越来越多的关注和应用。然而CFRP在制造和使用过程中经常会出现一些损伤，如分层、脱粘和纤维断裂等，因此CFRP的无损检测对于保证材料结构完整性具有极其重要的意义。本文介绍国内外CFRP涡流检测的研究现状，并就CFRP涡流检测的发展方向提出一些看法。

碳纤维增强树脂基复合材料 损伤 涡流检测 数值模拟

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）以其优越的性能得到越来越多的关注和应用，应用领域也在不断扩展。然而CFRP在制造和使用过程中，由于多种原因，经常会出现一些损伤，如分层、脱粘、孔隙、纤维断裂、弯曲等。与金属材料不同，CFRP在断裂或者损坏之前几乎没有什么先兆，其破坏具有突然性，并往往对结构造成致命威胁，直至造成重大安全事故，因而对CFRP的在役无损检测具有极其重要的意义。由于CFRP是各向异性材料，其无损检测与传统金属材料相比难度更大。

目前应用较多的CFRP检测方法有红外检测、X射线检测以及超声检测等。这些检测技术都取得了一定的效果。因为CFRP本身具有一定的导电能力，理论上可以用涡流检测技术进行检测。此外，与其他检测技术相比，涡流检测技术在某些方面具有一定的优势。例如，用涡流探伤法探测表面裂纹可靠性高；检测时一般不需清除零件表面的油脂、积碳和保护层；多数情况下可在不分解被测工件的前提下，在外场对工件进行原位探伤［1］。本文介绍国内外CFRP涡流检测的研究现状，并就CFRP涡流检测的发展方向提出一些看法。

1 CFRP简介

碳纤维是主要由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维是一种新型非金属材料，是发展最迅速，应用范围最广的纤维材料，可满足多个领域的要求。碳纤维和它的复合材料具有密度低、耐化学腐蚀、耐摩擦、抗辐射、减震、降噪等一系列的优异性能，而且作为纤维它还有柔软性和可编、可纺织性，特别突出的是它拥有高比强度和高比模量两大特性。CFRP是八十年代后期发展起来并备受重视的一类结构材料。随着制备技术的不断进步，其发展十分迅速，被广泛运用在航空航天、舰船、核工业、兵器工业、汽车工业、民用建筑、电力电子等领域［2］。

CFRP由不同纤维方向的单层材料层压或编织而成，每层的厚度介于0.05～0.25mm之间。单层材料由碳纤维和不具备导电性的基体材料融合而成。CFRP具有导电性，并且是电各向异性的。一般认为，CFRP在顺着碳纤维方向的纵向电导率在5×103～5×104S/ m之间，而在垂直于纤维方向的横向电导率在10～100S/m之间。同时在层压或编织结构中，每层碳纤维材料之间也会存在电导率，这个电导率比较小，大约是横向电导率的一半左右。基于上述考虑，可以用式（1）来表述复合材料的电导率张量［3］。

式中，δL是纵向电导率，δT是横向电导率，δcp是层与层之间的电导率，θ是单层材料中纤维方向在笛卡尔坐标下的角度。

2 CFRP涡流检测的研究现状

CFRP具有一定的导电能力，理论上可以用涡流检测技术进行检测。而且涡流检测与其他检测技术相比具有成本低、设备简单、操作方便等优点，因此CFRP涡流检测的研究具有重要意义。虽然CFRP具有一定的导电能力，但其电导率较金属材料小得多，并且不同方向上的电导率是不一样的，这就增加了涡流检测的难度。如何设计检测探头以及设置良好的检测条件以提高检测的灵敏度和信噪比，成为CFRP涡流检测研究的重点之一。实验探究的方法是最早也是最常用的CFRP涡流检测的研究方法。

2003年，C.Carr等人利用基于高温超导量子干涉仪（HTS SQUID）磁力计的涡流检测系统，扫描CFRP样品表面，得到样品表面的磁场分布，检测出了隐藏的损伤。从磁场相位图可以看出磁场相位取决于样品的结构完整性，并且相位导数最小值随着撞击能量的增加而变大［4］。2007年，C. Bonavolontà等利用相似的涡流检测系统，通过分析磁通量变化图像，确定了CFRP内损伤的位置，并且得到了损伤的大小及形状［5］。

2005年，R. Grimberg等利用涡流微聚焦传感器对CFRP样品表面进行扫描，利用全息信号处理方法处理测量信号的相位信息，得到聚焦的较为清晰的图像，重构出碳纤维的分布情况，从而可以很清楚地看出损伤区域［6］。

2009年，W. Yin等设计了三种不同的线圈传感器分别用于测量CFRP的体电导率，描绘纤维的方向特性和对单向CFRP样品、正交双向CFRP样品及受冲击损伤的CFRP样品进行检测并成像［7］。

2013年，K. Koyama等设计了一种矩形的交叉涡流检测探头，清楚地检测到CFRP样品的内部缺陷。研究发现，通过调整激励线圈与纤维方向之间的角度，可以减小噪声，提高信噪比。但是双向CFRP的检测信号中噪声仍比较大［8］。

2014年，B.Salski等通过测量两个平行放置在CFRP样品表面的平面螺旋线圈的互感来检测材料中的缺陷［9］。

随着计算机技术的发展以及仿真研究的进步，部分学者将目光投向CFRP涡流检测的仿真研究。相比于实验研究，利用计算机对涡流检测进行仿真研究具有设备简单，研究成本低，研究方法灵活等优势。

2009年，H.Menana等提出一个CFRP涡流检测的三维计算模型。该模型基于T-φ表述（T和φ分别代表电矢量位和磁标量位），利用有限差分法计算CFRP的涡流密度。作者研究了材料内部的涡流分布规律及缺陷对涡流的影响。通过模拟得到了优化的探头参数和检测条件，为实验研究提供了很好的指导作用［10］。2011年，H. Menana等提出基于A-T表述（A代表磁矢量位）的积分微分模型，计算出CFRP涡流检测中线圈阻抗的变化；还提出用于模拟CFRP薄板结构检测的简化准二维模型，提高了薄板结构检测模拟的计算效率［11］。

2010年，G.Megali等设计了一个铁氧体磁芯探头，用于检测CFRP中的缺陷，并使用有限元法进行模拟。此外他们还使用自适应同态滤波技术来提高模拟的精度［12］。

3 CFRP涡流检测的发展展望

虽然CFRP的涡流检测在实验研究和计算机模拟两个方面都取得了一定的进展，但仍有许多问题需要进一步的研究。未来可能的研究方向有：

（1）目前CFRP涡流检测的仿真研究还处在起步阶段，国内外对这方面的研究都比较少，还有待于今后的深入研究才能进一步发挥计算机仿真技术的优势，充分发挥其指导实验研究并与实验研究相互验证的功用。

（2）实际CFRP中的碳纤维分布不均匀，缺陷形式多种多样，这给CFRP涡流检测的实验研究带来了很大的困难。虽然目前基于HTS SQUID磁力计的涡流检测系统能够较好得完成对复合材料损伤的检测，但也不能检测出所有的缺陷类型。因此，今后还需对如何更好的设计检测探头，排除碳纤维分布不均匀带来的干扰，以及如何检测更多类型的缺陷做进一步的研究。

（3）虽然SQUID是最灵敏的磁场测量器件，但其工作频率低，此时CFRP中的涡流密度很小，对检测不利。而且，SQUID体积大，操作复杂，不利于现场检测。今后应重点研究高频检测。频率高时，用普通线圈就可以得到较大的信号。

（4）实际检测过程中，为了更好的保证检测精度，往往不是采用单一的检测技术手段。因此在今后的CFRP涡流检测研究当中，还应重视与其他检测技术手段的结合，这在一定程度上可以提升检测效果，使检测的准确性更高。

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

［2］任姗姗，皇甫超华，崔庆龙.碳纤维复合材料的研究与应用.科技向导，2010（5）：67.

［3］S. B. Pratap and W. F. Weldon. “Eddy Currents in Anisotropic Composites Applied to Pulsed Machinery，” IEEE Trans. Magn.，vol. 32， no. 2， pp. 437-444， 1996.

［4］C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. “SQUID-based Non-destructive Evaluation of Carbon Fiber Reinforced Polymer，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 13， no. 2，pp. 196-199， 2003.

［5］C. Bonavolontà， M. Valentino， G. Peluso， and A. Barone. “Non Destructive Evaluation of Advanced Composite Materials for Aerospace Application Using HTS SQUIDs，” IEEE Trans. Appl. Supercon.， vol. 17， no. 2， pp. 772-775， 2007.

［6］R. Grimberg， A. Savin， R. Steigmann， and A. Bruma.“Eddy Current Examination of Carbon Fibers in Carbon-epoxy Composites and Kevlar，” The 8th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing， Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering， pp. 223-228， Sep. 2005.

［7］W. Yin， P. J. Withers， U. Sharma， and A. J. Peyton. “Noncontact Characterization of Carbon-fiber-reinforced Plastics Using Multi-frequency Eddy Current Sensors，” IEEE Trans. Instrum. Meas.， vol. 58， no. 3， pp. 738-743， 2009.

［8］K. Koyama， H. Hoshikawa， and G. Kojima. “Eddy Current Nondestructive Testing for Carbon Fiber-reinforced Composites，”J. Press. Vess-T.， vol. 135， no. 4， pp. 1-5， 2013.

［9］B. Salski， W. Gwarek， and P. Korpas， “Non-destructive testing of carbon-fiber-reinforced polymer composites with coupled spiral inductors，” IEEE Int. Micro. Symp.， pp. 1-4， 2014.

［10］H. Menana and M. Féliachi. “3-D Eddy Current Computation in Carbon-fiber Reinforced Composites，” IEEE Trans. Magn.，vol. 45， no. 3， pp. 1008-1011， 2009.

［11］H. Menana and M. Féliachi. “An Integro-differential Model for 3-D Eddy Current Computation in Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites，” IEEE Trans. Magn.， vol. 47， no. 4，pp. 756-763， 2011.

［12］G. Megali， D. Pellicanμo， M. Cacciola， S. Calcagno， M. Versaci，and F. C. Morabito. “EC Modelling and Enhancement Signals in CFRP Inspection，” Prog. Electrom. Res. M， vol. 14， pp. 45-60，2010.

此项研究为国家自然科学基金（批准号：51277154）和教育部博士点基金（项目编号：20120121110026）资助项目。