工业CT技术在C/C复合材料无损检测中的应用

张翠翠，潘兰，孟妙，陈曦，刘少丽

(西安航天复合材料研究所，西安 710025)

0 引言

C/C复合材料兼有碳的惰性和碳纤维的高强度，具有质轻、比强度和比弹性模量高、热膨胀系数小、导热率低等优异性能，是世界各国空天战略急需的空天飞行器热防护系统和高性能航空发动机热端部件的重要候选材料。由于难以对其制备过程中各项工艺参数进行精确控制，导致其质量的不稳定，缺陷的存在不可避免。但又因其具有较高的制备成本以及重要的使用领域，所以在其制备和使用过程中对其进行无损检测，及时掌握其中可能存在的缺陷，对制备工艺的优化、使用性能的检测尤为重要[1]。

1 C/C复合材料常见缺陷和无损检测方法对比

1.1 C/C复合材料常见缺陷

预制体是C/C复合材料最基本的增强结构体，是极其重要的原材料，决定着C/C复合材料的性能，孙乐等[2]在C/C复合材料预制体的研究进展中提出为了进一步提高我国C/C复合材料的技术水平，需把预制体作为重点研究方向。在C/C复合材料预制体中常见缺陷为碳棒缺棒、夹杂、疏松、密度不均匀、分层等。对预制体进行基体碳的沉积等形成C/C复合材料，由于受原材料特性和工艺流程的影响很大，因此在沉积的过程中易于出现不同类型的缺陷。其中最常见的缺陷为裂纹、分层、夹杂和密度不均，各种缺陷的存在对产品的使用都有一定的影响。

1.2 C/C复合材料无损检测方法对比

现阶段C/C复合材料内部结构和损伤的无损检测方法主要有超声波检测技术、X射线照相技术和工业CT检测技术等。各种检测方法都有着各自的优势，也同时存在着一定不足。

超声波检测受其材质表面影响，对于探头的放置有很大的干扰。徐文锋[3]等人在C/C复合材料的无损检测研究中指出，超声波检测需要使用耦合剂，多数情况介质是水或置于水槽中，对于C/C复合材料是不利的。因为这种材质易于吸潮、吸水造成性能衰减，并且超声波检测对于不致密组织或者内部不均匀的材料检测会产生较大的杂波影响。缺陷产生的信号与噪声信号难以区分，影响检测结果的判断，对缺陷做准确的定性和定量表征有很大的困难。

X射线检测对于体积形缺陷检出率较高，对于面积形缺陷如裂纹、分层等敏感度较低，检出率和投射角度有很大的关系。陈腾飞等[4]利用X射线实时成像技术对C/C复合材料进行检测，结果表明X射线对其断针和疏松等缺陷结果检测是有效的。但是C/C复合材料材质的不均匀性常常阻碍或遮盖了小缺陷(如孔隙等)的检测，并且射线图像是重叠影像，在深度方向上对缺陷的尺寸和位置确定较为困难。

工业CT技术已被公认为20世纪后期最实用的科技成果之一，并为国际无损检测界称作最佳的无损检测手段[5]。国内专家学者徐惠娟[6]等也对C/C复合材料的无损检测进行了研究，王俊山[7]等人、金虎[8]等人用工业CT对C/C复合材料内部缺陷进行了分析，都证明了工业CT对于C/C复合材料中缺陷具有很高的检测效率。工业CT除了对C/C复合材料缺陷进行检测外，还可以对内部质量进行定性定量分析，如密度分布的测量、内部结构尺寸的精确测量等。因此，本文利用工业CT对C/C复合材料进行检测并分析。

2 工业CT技术在C/C复合材料无损检测中的应用

2.1 检测设备技术指标

空间分辨率：2 lp/mm；密度分辨率：0.5%；射线机管电压：2 MeV；射线机焦点尺寸：2.0 mm；探测器：线阵列探测器。

2.2 缺陷检测实例

2.2.1 C/C复合材料预制体中缺陷检测实例

目前所应用的预制体大概可以分为三类：针刺预制体、穿刺预制体、轴径编预制体。在预制体中容易出现缺棒、夹杂、分层和疏松等缺陷，有效的缺陷检测，从源头提高了C/C复合材料的使用可靠性。

图1列出了C/C复合材料预制体中的几种典型缺陷的CT图。从图1(a)中可以看出：灰度特征发亮的部位即为夹杂缺陷；该夹杂密度比预制体本身材料密度大，整个影像亮度一致，根据该成型工艺可判定为金属夹杂；从位置分析该夹杂出现于固定预制体的芯模内部，可以判断出该夹杂并不影响预制体性能。从图1(b)中可以明显看出黑色圆形孔洞，大小和碳棒粗细一致，即为缺棒现象。根据CT图像，可以精确的算出缺棒的具体位置，以便对其进行修复。从图1(c)中明显能看出该标记处纤维较为松散，说明该位置的纤维在编织过程中用力不均匀，造成疏松，但是该疏松位置靠近内层表面，最终可以机加掉，不影响产品的使用性能。从图1(d)中可以看出，画圈处密度相对于基材密度较低，但是又有别于裂纹的不规则线状影像，呈连续线状与分层特征一样，属于分层缺陷。

图1 C/C复合材料预制体典型缺陷的CT图像

2.2.2 C/C复合材料复合材料中缺陷检测实例

在最终C/C复合材料中会出现不同类型的缺陷，以夹杂、裂纹和密度不均为主。其中影响产品性能的主要为夹杂和裂纹，如图2所示。

图2 C/C复合材料最终缺陷的CT图像

从图2(a)中可以看出夹杂具有一定几何形状，灰度值明显区别于周边正常材料灰度值。通过分析为金属夹杂，在进行基体碳的沉积后，经过高温处理未能排出预制体外而使其碳化产生夹杂。从图2(b)中可以看出不规则的线状影像，中间宽两端细，是裂纹的明显特征。

在C/C复合材料中夹杂的出现都会导致其力学性能和材料的可靠性能下降，所以利用工业CT对于缺陷的检出为C/C复合材料设计提供了更多的选择机会，通过工业CT检测和制造工艺相结合，及时发现出现缺陷的工序，便于改进工艺，缩短研制周期，降低成本。

2.3 定量分析

2.3.1 预制体间距测量及铺层均匀性分析

在编织工艺中，编织间距通常是一个用来直接表示编织预制体紧密程度的参数。对同一编织方法和同一编织结构而言，编织间距越小，预制体越紧密(细密)；反之，间距越大，越松散。通过CT精确测量可判断预制体间距是否符合设计要求。图3(a)为预制体工业CT切层图像，图3(b)为预制体工业CT切层图像直线标记处相对密度分析图，从图中明显可看出波峰所对应的为预制体纤维处密度即为最大密度，波谷所对应为相邻纤维中间平均密度，而最小密度则对应纤维缺束位置密度，通过对图3中曲线进行测量，可以计算出每个波峰到波谷的相邻纤维间距，图中从曲线中测量出缺束处宽度为1.4 mm，不符合检测要求。另外，还可通过计算峰值数获得该预制体其他方向的碳布层数，从而判定铺层均匀性。

图3 C/C复合材料预制体工业CT切层图片及密度分析图像

2.3.2 尺寸测量

CT图像是真实再现所检测工件的二维切层结构，因此通过CT图像可以准确地获得所测工件的相关尺寸。图4为C/C复合材料最终常压碳化后图片，通过对裂纹的长、宽度和距离外表面的距离精确测量，为机加提供准确的判定信息，从而决定产品最终所用的规格型号，大大地提高了缺陷产品的利用率。

图4 C/C复合材料最终常压碳化后图片

2.4 其他应用

利用CT技术优势，在无需破坏产品的情况下，精确分析产品内部结构组成。特别是在尺寸多变的复杂结构中，工业CT独特的优势得以实现。从图5中可以清楚的看出所检测的C/C复合材料预制体的纤维走向和连续性整体较好，但是在法兰端面左侧上表面纤维无连续性，通过测量纤维与纤维之间间距为2.3 mm，进一步了解了复杂预制体的结构，为后续预制体处理和机加等提供了参考数据。

图5 C/C复合材料预制体工业CT检测图像

3 结论

工业CT检测技术对C/C复合材料制品中的缺陷具有很高的分辨率，能有效地检测出制品内部中存在的夹杂、裂纹、缺棒、疏松、分层等缺陷，解决了其余无损检测手段检测的局限性。工业CT可以对其进行定性定量分析，对提高产品质量、改进生产工艺，决定制品的最终用途有着非常重要的意义。