碳纤维增强树脂基复合材料表面隐身厚涂层对超声波检测的影响

李燕平 吕晓雷 王云飞 廖可 李文辉

摘 要：针对碳纤维增强树脂基复合材料表面隐身结构的厚涂层将对超声波检测的影响，设计了一套试验方案，模拟复合材料在实际使用过程中出现的缺陷，并制作了相应的试验板加以验证。使用该方案可以得到在不同种类漆层、不同厚度漆层对超声波检测的影响大小。结果表明，碳纤维增强树脂基复合材料表面喷涂隐身涂层体系后，用超声波探伤预埋的各处缺陷发现试块底波衰减很明显，对小于φ3mm聚四氟乙烯薄膜缺陷无法判别。

关键词：复合材料；隐身涂料；超声波探伤

中图分类号：V267+.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0114-02

Abstract： In view of the influence of the thick coating of the stealthy structure on the surface of carbon fiber reinforced resin matrix composites on ultrasonic testing， a set of test scheme is designed to simulate the defects of carbon fiber reinforced resin matrix composites in practical use. And the corresponding test board is made to verify it. By using this scheme， the influence of different kinds of paint layers and different thickness paint layers on ultrasonic testing can be obtained. The results show that after spraying the stealthy coating system on the surface of carbon fiber reinforced resin matrix composites， it is found that the bottom wave attenuation of the specimen is obvious， and it is impossible to distinguish the defects of polytetrafluoroethylene film smaller than φ 3mm.

Keywords： composite material； stealthy coating； ultrasonic flaw detection

1 概述

碳纖维增强树脂基复合材料由于具有重量轻、强度高、刚性强、耐磨损且易于设计等特点，因此在航空飞行器上得到极为广泛的应用。然而碳纤维增强树脂基复合材料结构受制造工艺等因素影响会产生各种缺陷，如空隙、分层、脱胶等；装配过程中，在外载作用下也会出现损伤，常见损伤有分层、脱胶、表面划伤、错钻孔、孔边损伤、冲击损伤、雷击损伤、战伤、裂纹、燃烧等[1]。无论是受制造工艺的生产缺陷还是装配过程中带来的机械损伤都会使飞机结构受损、表面气动性能下降，从而导致结构使用寿命降低。

碳纤维增强树脂基复合材料在航空飞行器上应用中，由于受到振动、外来物损伤等环境因素的影响，易出现层板分层、划伤、脱胶、断裂、进水、蜂窝芯压塌等问题。其中，分层及脱胶是较为常见的缺陷[2]。在后期航空飞行器使用过程中，复合材料受到的冲击逐渐加大，当机组人员真正目视到其所受的损伤时，其内部实际上已开始分崩离析，结构强度降低，将可能造成质量事故，因此加强对航空复合材料的无损检测极为重要。

超声波检测技术属于应用较为广泛的无损检测技术，其实用性极强[3]。超声波检测技术的应用优势主要为：穿透性极强，对平面型缺陷的探查较为灵敏准确，且整个检测操作安全可靠，可帮助实现自主化检测。但不可否认的是，该检测技术在应用中还存在着部分不足。如对复杂构件的缺陷检测难度较大，且常需运用耦合剂将探头、被测构件之间的空隙填充完整[4]。应用此技术，可准确检测出复合材料的常见缺陷，如疏松、分层、孔隙等，因此，被全面应用于航空领域的制造维护工作中。

由于当前先进战机为提高雷达隐身效果，常采用涂覆雷达吸波材料进行雷达隐身。而涂覆的隐身涂层反射率与涂层的厚度密切相关，在某些频段范围内，涂层未达到临界厚度时，随着涂层厚度的增加，涂层整体反射率变好。因此，航空飞行器表面涂覆涂料种类多、结构复杂、且隐身涂层较厚，一般可达500um。然而，随着复合材料基体表面的涂层变厚，超声波检测探头与被测复合材料距离增大，测试环境趋于复杂，将给超声波检测复合材料缺陷造成影响，为掌握，研究了多层结构隐身厚涂层在对超声波检测的影响规律。

2 试验

2.1 原材料

CCF300/QY9511碳纤维预浸料、42-Cu84A铜网、H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、导电涂料、雷达吸波涂料、红外吸波面漆、聚四氟乙烯薄膜。

2.2 测试仪器

普通漆层厚度测试仪：德国EPK公司的MiniTest 600B型测厚仪；

吸波涂层厚度测试仪：北京恒星研制的FT-150型涂层测厚仪；

复合材料无损检测仪：汕头SIUI公司CTS-9008型数字超声波探伤仪。

2.3 试验件制备要求

制备编号为M1的CCF300/QY9511碳纤维复合材料试板，该试板尺寸为200mm×150mm×1.5mm；铺层为[45/90/-45/0/0/0]s；复合材料层压板表面需铺贴一层42-Cu84A铜网。试板铺贴过程中，预制12处缺陷试块固化要求按Q/ZHFC 1204.6-2011《QY9511树脂基复合材料 第八部分 CCF300/QY9511预浸料》制造。试板固化后用超声波A扫进行疏松、分层、孔隙等无损检测。

2.4 试验件喷涂

CCF300/QY9511碳纤维复合材料试板在铜网表面依次按相应施工工艺喷涂H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、导电漆、TB06-9底漆、雷达吸波涂料、TB06-9底漆和红外吸波面漆。

3 检测结果与分析

为验证在无损检测条件下每层涂料对复材中缺陷的影响，制备了图号为M1复材层压板，预制12处缺陷，缺陷1～4在靠近试块上表面（铜网面）的第三层，缺陷5～8位于试块中间，缺陷9～12在靠近试块下表面的第三层。缺陷1、5、9、3、7、11铺贴为一层聚四氟乙烯膜，缺陷2、6、10、4、8、12铺贴为两层聚四氟乙烯膜。缺陷在试片中的位置如图1所示。

M1复材层压板试验件相应要求进行喷涂，先后共经过8次喷涂，该试块及每喷涂一层漆后进行超声波检测。用CTS-9008型数字超声波探伤仪对预埋的各处缺陷进行检查，9次超声波探伤检测结果见表1所示。

根据无损检测缺陷数据发现：（1）M1复材层压板在喷涂导电层之前，按图1要求依次喷涂了H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆，随着基材表面漆层的增加，缺陷波高有所提高。这可能是工件表面不平滑度造成的，由于复合材料表面铺贴了铜网，而铜网存在一定厚度（51um），造成试板表面凹凸不平。随着漆膜层数增加，漆层厚度变厚，试板凹凸表面被填平，超声波探伤效果变好，缺陷波高有所提高。（2）M1复材层压板在按图1要求喷涂至导电层后，超声波探伤预埋的各处缺陷发现底波衰减比较明显，下降2-3dB。说明导电涂层对超声波探伤影响较大，可能是由于导电涂层较厚（60um）且存在大量金属离子造成的。（3）M1复材层压板在按图1要求喷涂至雷达吸波隐身涂层后，超声波探伤预埋的各处缺陷发现底波衰减非常明显，下降7-8dB。说明雷达吸波隐身涂层对超声波探伤影响非常大，可能是由于喷涂的雷达吸波隐身涂层较厚（500um）且存在大量金属离子造成的。（4）M1复材层压板按要求喷涂的涂层体系（依次喷涂H01-101H清漆、H06-1012H底漆、TB06-9底漆、导电漆、TB06-9底漆、雷达吸波涂料、TB06-9底漆和红外吸波面漆）后，用超声波探伤预埋的各处缺陷发现试块底波衰减很明显，提高检测灵敏度后，12处缺陷仍可以被检测出来。其中预埋的一层和两层聚四氟乙烯薄膜缺陷，用超声波探伤得出的结果无明显差别，无法区分。对比监控伤波波高发现，φ3mm的缺陷波高为60%时，杂波波高最高达到30%，缺陷和杂波没有明显区分开，不易分辨。如采用监控底波衰减的办法来判断是否有缺陷，探头直径为6mm，探头放置在3mm缺陷上底波只降低50%，探头不停在扫查，底波衰减一晃而过，人眼不容易发现。反复试验发现如不告诉试块上有缺陷，则φ3mm的缺陷手工扫查容易漏检。

4 结束语

碳纤维增强树脂基复合材料层压板表面喷涂隐身涂层体系后，用超声波探伤预埋的各处缺陷发现试块底波衰减很明显。在预知缺陷位置后，提高检测灵敏度，12处缺陷仍可以被检测出来，但无法区分预埋缺陷中聚四氟乙烯薄膜的层数，用人工扫查方式对φ3mm聚四氟乙烯薄膜缺陷判断困难、容易漏检。

参考文献：

[1]孙雨辰，季佳佳，冯蕴雯，等.航空复合材料结构修理方法[J].航空制造技术，2015（20）.

[2]詹湘琳，韩红斌，周德新，等.民用飛机复合材料结构件超声相控阵无损检测技术进展[J].航空制造技术，2014（15）：124-127.

[3]南勇涛.民用航空器复合材料的无损检测技术[J].科技资讯，2012（28）：82.

[4]魏建义.航空复合材料无损检测应用研究[J].现代制造技术与装备，2016（1）.