碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控阵检测方法研究

朱滨海，王佳，付国，李怡琳，程梦婷

（1.南京航空航天大学，江苏 南京 211106；2.成都国营锦江机器厂，四川 成都 610043）

在对碳纤维复合材料进行无损检测时，通常会遇到各种各样不同类型的问题。例如：（1）由于受到多种因素影响而导致其内部出现了一些不规则的孔洞；（2）当碳纤维复合材料中含有较多的杂质或是存在较为复杂的结构时，就很容易产生分层现象；（3）当碳纤维复合材料被应用到飞机上后，如果没有及时发现其中存在的分层情况，也可能造成严重后果。而目前针对这种缺陷主要采用目视检查或破坏性检验来进行检测，但其存在效率低、成本高等缺点，因此迫切需要一种新的无损检测方法来解决这一难题。近年来，出现了许多新型无损检测方法，例如，超声波C 扫描成像法、射线照相法、红外热像法以及声发射检测法等，都能够实现对不同类型的缺陷进行有效的检测与评价。

1 超声相控阵检测原理及探头参数选取

1.1 超声相控阵检测原理

利用惠更斯原理，超声波的形状可以被描述为一系列的子波源，每个都会发出一系列的相关信号，这些信号会被传播到弹性介质（试件）中，从而形成一种机械振动。而相控阵成像技术则是利用控制阵列换能器中每个阵元的激励（或接收）脉冲的时间延迟来实现对图像的检测和分析。我们将通过实验验证该理论的正确性以及可行性。首先，需要选择合适的声束入射角θ0，使得声波以一定角度进入待测区域；其次，还要确定一个合理的焦点位置X0，保证所发射出的所有波束能量集中于此点处，并且不至于发生散射现象。

1.2 探头参数选取

在进行检测前，首先，要对检测对象和检测要求有一个全面、深入的认识。通过分析可知，该检测项目中需要用到的设备主要包括超声波探伤仪(TOPDIA)、相控阵检测仪等，而这些设备都是由不同类型的换能器组成的。因此，为了保证检测结果准确可靠，就必须选择合适的探头参数。

目前，国内外学者针对复合材料分层缺陷的检测已经做出了大量工作，并且也提出了很多有效的检测方法。但是，每种检测方法均存在一定的局限性，并不适用于所有情况。所以，在实际应用时，还应当结合具体问题来确定最佳的检测方案。本文所采用的检测方法属于无损检测范畴，故无须考虑检测效率这一指标；同时，由于该项检测涉及多个方面，如检测精度、检测速度以及成本等，因而不能仅凭某一标准或某单一因素进行判断。基于此，本文主要从以下几个方面对检测方法进行分析和讨论。

2 实验装置和试件部分

2.1 实验装置

该实验使用了奥林巴斯Olympls MX2 相控阵检测仪和一个线性阵列探头，它的频率为5MHz，阵元数量为64 个，阵元间的距离为0.6mm，阵元的长度为10mm。这个探头被安装在一个厚度为20mm 的零度楔块SD3-N0L上，以减小近场效应。对于每种不同类型的缺陷，都可以通过改变扫查方式来实现。当用常规的纵波垂直入射时，就会形成沿着深度方向传播的反射波；而当用横波斜入射时，则会产生与之相反的情况。因此，只要将探头移动到合适位置并且使其对准需要检查的区域即可。由于超声波具有很好的指向性，所以能够非常容易地确定缺陷所在的具体位置以及大小。但是，如果想得到更加准确可靠的结果，还必须保证声束足够集中，这样才能获得较高质量的图像。

2.2 实验试件

为了验证本文提出的相控阵检测方法在实际应用中的可行性，选取某型号飞机上使用的碳纤维复合材料进行实验研究。该类型的碳纤维复合材料由于其特殊性，需要对其内部结构进行详细分析才能够确定具体的分层情况，因此本次实验采用无损检测方式来完成。通过对该类型的复合材料内部不同位置的分层情况进行检测，可以得到较准确的检测结果，从而能够更加全面地掌握该类复合材料的质量状况，并且也有利于后续工作的开展。此外，针对该类型的碳纤维复合材料，还要选择合适的检测设备以及相应的检测工艺参数等，以保证最终获得的检测数据具有较高的可靠度。为了使所设计的检测方案能够顺利实施，首先，应当建立一个合理的实验平台，然后再利用相关的检测仪器对其实施检测操作。在这个过程中，主要是将超声波换能器安装到试块上，同时使用螺栓固定住探头，最后再把它们放到指定的检测区域内。需要注意的是，在实际的检测操作前，一定要提前做好准备工作，比如，对检测对象进行清理、碳纤维不打磨和除锈等，这样才能够确保检测效果符合要求。另外，在正式开始检测前，也可以先进行预试验，通过多次反复地调整来确定最佳的检测位置以及检测角度等，从而提高最终的检测质量与效率。在完成这些准备工作后，就可以开展具体的检测操作，并且还要保证每次都按照同样的步骤来进行，以便更好地控制误差问题。一般来说，如果检测对象为碳纤维复合材料，那么就应该采用线扫描方式；但如果是金属材料焊缝时，则最好还是扇扫描方式。一般情况下，在检测时会采用相控阵技术来实现对碳纤维复合材料的检测，但是由于该种技术具有很强的复杂性，所以要经过大量实践经验的积累，才可以获得良好的应用效果。

2.3 实验流程

通过零度线性聚焦法则，我们将从第一个晶片开始激活，并在第64 个晶片结束时进行电子扫描，每个阵元的聚焦深度为二毫米，并使用3000m/s 的纵波进行测量。当所有晶片都被激发后，对于每层的厚度，可以计算出其声速，然后再用这种方式确定该区域内是否存在缺陷。如果发现了缺陷，那么就要继续沿着垂直方向逐渐移动探头来检查缺陷的位置、大小以及形状等信息。最后，还需要利用超声波C 扫成像系统来进一步确认缺陷的具体情况。

在实际的操作过程中，首先，按照上述所提到的方法分别制备好含有不同类型缺陷的试样；接着，把这些试样放入专用的模具中，并且保证各个试块表面上没有任何多余的杂质；随后，启动超声检测仪器，开始对试样进行扫描检测；在完成一次完整的检测过程后，便可以将探头从试样表面移开；最后，通过计算机软件对检测结果进行分析处理。此外，为了更加直观地观察超声相控阵检测技术应用于碳纤维复合材料分层缺陷时的效果，本文也制作了相应的对比试块。其中，第一组试块只存在一个孔隙缺陷，第二组则包括两个相同的孔洞缺陷。需要注意的是，由于这两组试块都属于同一种型号的碳纤维复合材料，因此它们具有一定程度上的相似性。具体的操作步骤如下所示：首先，利用超声波无损检测设备分别对上述两种类型的试块进行检测，然后记录相关数据；其次，在完成所有检测工作后，再使用CT 扫描仪对试块内部的情况进行检查；再次，结合图像处理技术以及数据分析技术等，对检测过程中所出现的各种问题展开深入探究与讨论。最后，针对发现的缺陷区域，可以借助相控阵超声检测系统中的扫查功能来实现进一步的定位，从而为后续工艺加工提供必要的参考依据。通过以上一系列的分析可知，该项技术不仅能够有效解决传统超声检测方式存在的不足，同时还能够显著提升最终的检测效果。因此，这就要求操作人员要充分掌握相应的检测技巧及知识点，并且严格按照相关标准规范来开展各项工作。此外，在实际应用过程中，也要注意以下几点内容：首先，是合理选择扫查位置、角度以及深度等参数信息；其次，就是应当选择合适型号的探头设备。除此以外，对于一些特殊情况下出现的分层现象来说，则更加适合采用相控阵超声波检测法。

3 结语

综上所述，本次试验采用了超声相控阵技术对碳纤维复合材料进行无损伤检测。首先，通过实验确定出不同层数和厚度的试样；然后，利用超声相控阵技术分别在0、2 ～6mm 以及7 ～10mm 这3 个深度范围内采集信号；最后，根据所获取到的数据计算出各个层之间的相对误差并以此来判断该区域是否存在缺陷。

本文主要介绍了碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控阵检测原理及具体操作步骤，但是实际上还有很多影响因素需要考虑，如探头与被检工件的距离、声束入射角等都会直接影响最终的检测结果。在以后的学习和实践过程中，我们还会继续对这些问题进行深入的探讨，争取使得本次研究所提出的相关理论更加完善。但是由于该方法只能检测出表层的缺陷，而无法探测深层次的缺陷。因此，还需要进一步改进与完善相关的检测工艺及方法。本文提出了一种新的检测方法，即在同一块碳纤维板上沿着长轴方向依次设置多个扫查点，这样就使得整个检测过程变得更加方便快捷。这对今后开展类似的无损检测工作有一定的借鉴意义。此外，文中提到的检测方案虽然简单易行，但仍需不断优化才能得到最佳结果。