碳纤维复合材料表面裂纹与纤维弯曲无损检测的发展现状与展望

刘小华++曾志伟

摘 要：碳纤维复合材料（CFRP）以其优良的特性被广泛应用于航空航天、体育及休闲用品和建筑等领域。然而CFRP在使用或制造过程中会出现一些诸如表面纤维断裂、纤维弯曲的损伤，这些损伤对结构往往造成致命的威胁，因此对CFRP进行无损检测显得意义重大。本文介绍CFRP表面裂纹与纤维弯曲的研究现状，并就这方面发展的方向提出一些看法。

关键词：碳纤维复合材料；表面裂纹；纤维弯曲；无损检测

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0043-02

CFRP全名为碳纤维增强树脂基复合材料，其中碳纤维作为增强相，树脂基作为基体。与金属材料相比，CFRP有更好的比强度、比刚度、抗疲劳性、抗腐蚀性和减震性。因为其优良的特性被广泛应用于航空航天、体育及休闲用品和建筑等领域。然而CFRP在使用或制造的过程中会出现表面裂纹和纤维弯曲等损伤，比如使用时遭遇冲击或被尖锐物体划过表面就会造成表面裂纹，制造过程中快速固化引起残余应力提高便会造成纤维弯曲。这些损伤可以对结构造成致命威胁，引发重大事故，因此对CFRP结构进行无损检测显得意义重大。CFRP是各向异性材料，这使得对CFRP材料表面裂纹与纤维弯曲等损伤的无损检测研究变得更为棘手。

目前对CFRP进行无损检测的方法主要有超声检测、红外检测、涡流检测、太赫兹时域光谱检测、声发射检测以及微波检测等，每种方法有其擅长检测的缺陷类型。本文就国内外研究人员针对CFRP表面裂纹与纤维弯曲这两类损伤的检测进行的研究展开介绍，并对今后的研究提出一些看法。

1 CFRP表面裂纹检测的研究现状

超声技术是目前针对CFRP表面裂纹的一种主要无损检测方法，不断有学者在这方面做出创新，激光超声检测便是一种新兴技术。1963年，R.M.White发现激光超声现象，即用激光束照射到物体时，物体表面10～100μm厚度内会激发出超声波。对激发出的超声波信号进行分析就可以得到物体表面的轮廓信息[1]。自1980年开始，美国学者开始了将激光超声应用于无损检测的研究，由此产生了激光超声检测技术[2]。20世纪90年代开始将激光超声技术用于复合材料的检测[3]。后来此项技术被洛克希德·马丁空间系统公司获得，在美国军方联合攻击机JSF項目的竞争以及开发F22与F35型战斗机的过程中，该技术获得了极大地发展，在检测CFRP表面裂纹的能力方面也取得了重大进步[4]。

涡流检测技术也是检测CFRP表面裂纹的一种重要方法。电涡流遇到缺陷时发生扰动，其在CFRP表面产生的磁场亦发生变化，通过分析CFRP样品表面的磁场信号可以得到样品表面的轮廓信息，检测出缺陷。2003年，C.Carr等利用基于超导量子干涉仪（HTS SQUID）磁力计的涡流检测系统对CFRP样品进行检测，根据样品板表面的磁场分布，检测出了样品板表面的裂纹[5]。2005年，R.Grimberg等利用涡流微聚焦传感器对CFRP板表面进行扫描，利用全息信号处理法处理信号的相位信息，得到了聚焦的较为清晰的图像，重构了碳纤维的分布情况，从而检测出了表面裂纹[6]。

2015年，中国计量学院的廖晓玲等利用反射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）成像技术对CFRP缺陷进行了无损检测实验，获得了含不同缺陷碳纤维样品的成像结果及数据。发射探头两侧有多个接收探头，通过处理接收探头获得的反射信号便可重构缺陷信息。结果表明，反射式THz-TDS成像技术在0.1～3.5THz波段对CFRP中热损伤、划伤缺陷、磨损缺陷及孔洞缺陷成像清晰，分辨率较高[7]。

2016年，国防科技大学何赟泽等通过电磁感应加热与红外热成像测温相结合的技术成功地对冲击后的CFRP样品进行了表征和损伤检查，识别了破碎的碳纤维，检测出了CFRP表面裂纹缺陷[8]。

2 CFRP纤维弯曲检测的研究现状

国内外对CFRP纤维弯曲检测的研究起步较晚，2015年，杨玉娥等研究微波信号在复合材料中的传播特性，使用N5225A网络分析仪对碳纤维的方向和纤维弯曲进行了微波无损检测研究，用微波信号反射系数的相位和幅值来表征纤维方向和纤维弯曲缺陷。结果表明，在频率为38GHz时可以用反射系数幅值表征纤维弯曲缺陷，反射系数幅值最大变化为0.004[9]。

2015年，日本的K.Mizukami等提出了一种探测器来检测单向CFRP平面内和平面外纤维弯曲，基于涡流的非破坏性技术来表征纤维取向。这种探测器由三个矩形线圈组成，其中两个相同的线圈共面放置作为激励，正中间一个接收线圈与两激励线圈所在平面垂直放置。通过变换探测器放置的方式，可以测量面内纤维波纹度（即纤维弯曲程度）、面外纤维波纹度以及纤维方向角。实验研究表明，他们所提出的探测器可以检测出薄的单向CFRP中长度为15.9mm，最大偏移量为1.1mm的面内纤维波纹度，也可以检测出厚的单向CFRP中最大偏移量为3.5mm的面外纤维波度。他们发现扫描具有平面外波纹的材料获得的复平面中的输出信号变成环形图，环形图可用于识别平面外纤维波度的存在和位置[10]。

2016年，他们又提出了一种可视化多向CFRP纤维波纹度检测方法。由于由驱动线圈感应的涡流沿着碳纤维流动，所以如果涡流路径可视化，纤维波动就可以可视化。他们提出了一种新的复平面分析方法来将涡流路径可视化。该方法的有效性通过有限元分析得到了验证。对多向CFRP试样进行实验，在样品中人工诱导具有6.9°至24.9°的失准角的面内波纹。从磁场数据可视化涡流路径，得到了波纹的形状。将波状涡流路径的尺寸与通过X射线计算机层析成像测量的波纹尺寸和光学图像进行比较，结果表明，涡流法可以准确地估计表面波度尺寸，但低估了内部波动尺寸[11]。

3 展望

国内外关于CFRP表面裂纹与纤维弯曲的无损检测研究取得了可喜的进步。未来可以在如下方面展开进一步的研究。

（1）目前很少有专门针对CFRP表层裂纹的研究报告，裂纹造成的纤维断裂对CFRP结构的危害是不容小觑的，希望有擅长检测裂纹的无损检测专家对此多加关注，给CFRP表面裂纹检测研究提供更多可供参考的文献。

（2）涡流检测中用于检测CFRP表层裂纹的器件主要是HTS SQUID，但是HTS SQUID工作频率低，此时CFRP中涡流密度很小，信噪比低，并且HTS SQUID体积大，不利于现场检测操作。因此有必要研究使用方便，可在较高频率下工作的探头。

（3）关于CFRP纤维弯曲的无损检测研究还非常少，还有很多工作可以做，鼓励无损检测各个领域的专家对此展开研究。

致謝：感谢福建省传感技术重点实验室和厦门市传感器技术重点实验室经费的支持。

参考文献

[1]R. M. White. Generation of elastic waves by transient surface heating[J]. Journal of Applied Physics， 1963， 34： 3559-3567.

[2]B. C. Moss， C. B. Scruby. Investigation of ultrasonic transducers using optical techniques[J]. Ultransonics， 1988，26： 179-188.

[3]B. R. Tittmann， R. S. Linebarger， R. C. Addison. Laser-based ultrasonic on epoxy composite interferometric detection[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation， 1990， 9： 479-486.

[4]张昭，肖迎春，李闵行.激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损检测中的应用[J].航空工程进程，2014，5：269-273.

[5]C. Carr， D. Graham， J. C. Macfarlane， and G. B. Donaldson. SQUID-based non-destructive evaluation of carbon fiber reinforced polymer[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2003，13：196-199.

[6]R.Grimberg， A. Savin， R Steigmann， and A. Bruma. Eddy current examination of carbon fibers in carbon-epoxy composites and kevlar[J]. IEEE Transaction on Magnetics，2005，58：738-743.

[7]廖晓玲，王强，谷小红，陈锡爱.基于THz-TDS的碳纤维复合材料无损检测[J].激光与红外，2015，45：1255-1260.

[8]R. Yang， Y. He. Polymer-matrix composites carbon fibre characterisation and damage inspection using selectively heating thermography （SeHT） through electromagnetic induction[J]. Composite Structures，2016，140：590-601.

[9]杨玉娥，闫天婷，任保胜.复合材料中碳纤维方向和弯曲缺陷的微波检测[J].航空材料学报，2015，35：91-96.

[10]K. Mizukami， Y. Mizutani， A. Todoroki， Y. Suzuki. Detection of in-plane and out-of-plane fiber waviness in unidirectional carbon fiber reinforced composites using eddy current testing[J]. Composites Part B，2016，86：84-94.

[11]K.Mizukami，Y. Mizutani， K. Kimura， A. Sato et al. Visualization and size estimation of fiber waviness in multidirectional CFRP laminates using eddy current imaging[J]. Composites Part A，2016，90：261-270.