无损检测：复合材料的超声检测技术

无损检测：复合材料的超声检测技术

随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右，新一代战斗机将达到 40% ;直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～ 80%左右，甚至出现全复合材料飞机。复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了严峻的挑战。经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟的复合材料无损检测方法之一。由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

超声检测在复合材料研究及其制造中的应用

复合材料无损检测主要应用于以下3 个方面：材料无损检测;结构无损检测;服役无损检测。材料无损检测主要解决材料研究中面临的问题，进行诸如材料内部缺陷表征、性能测试、缺陷基本判据的建立、无损检测物理数学模型的建立等研究，其检测对象主要是试样、试片。结构无损检测主要解决结构在工艺制订、结构件制造过程中面临的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手段的建立、信号处理技术、缺陷判别、标准建立与完善等，检测的对象是各种装机应用的工程结构件。服役无损检测主要研究装机结构件在服役过程中所需的无损检测方法、手段等，包括提供有关结构件残余寿命、剩余强度、损伤扩展等综合信息的评估，检测的对象是装机后的各种服役结构件。大量的研究和应用表明，超声检测是目前对于复合材料最为实用有效、应用最为广泛的无损检测技术，它能可靠地检测出复合材料中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。下表给出了几种常见复合材料超声检测技术的特点。

复合材料制品超声检测方法

1 超声C 扫描检测技术

超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、B 型显示和C 型显示。A型显示是基础，其他两种显示方式均由A型显示的数据重建得到。其中，C 型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、横坐标，所以C型显示的结果是与扫描平面平行的一幅截面图像，并作为最常用的显示结果提供给最终用户。

超声C 扫描是具有C 型显示功能的探伤方法，在宏观缺陷检测中，常用频率为0.5 ～ 25 M H z的探头，采用脉冲反射法进行检测。超声C 扫描由于显示直观，检测速度快，已成为大型复合材料构件普遍采用的技术。目前C扫描检测技术能够清晰地检出复合材料结构中体积分布类缺陷。 K.Lemster 在研究金属基复合材料的机械性能时，使用超声C扫描对材料内部的均匀性和裂纹进行了检测。国内魏勤等人利用超声C扫描对碳化硅颗粒增强铝基复合材料试样进行了检测，可以清晰地看出材料中的团聚和孔洞。浙江大学王艳颖针对大型非对称复合材料构件提出了一种超声C扫描检测方法，该方法集机器人、反求工程、超声成像、超声信号处理等多学科技术于一体，实现了实时检测时对构件曲面跟踪和灵敏度实时补偿的功能。吴瑞明采用多传感器信息融合技术，通过仿形测量和重建模型的方法实现了复合材料超声C扫描的一般过程，准确检测出了复合材料的缺陷。但如要求有更精确的复合材料定量检测技术，特别是对于新型复合材料，如缝编结构及陶瓷基复合材料等，要了解和掌握这类材料内部缺陷的分布情况和含量，常规的C扫描往往难以胜任。

2 超声导波检测技术

导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸跟声波波长可比的情况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类型的导波。导波本质上还是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。超声导波检测是一种快速大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍需要采用其他检测方法才能作出最终的评估。

由于导波检测具有快速方便的应用特点，目前已成为超声检测领域研究的热点。T . K u n d u 采用L a m b波扫描了复合材料的缺陷，建立了线扫描方法和缺陷成像技术。K . M a s l o v 研究了5 层纤维增强复合材料中使用漏L a mb 波检测内部缺陷的模式选择方法，把应力和位移的变化作为是否存在缺陷的判别依据。N.Toyama 研究了复合材料横向裂纹和分层缺陷对S0 模式L a m b波速度的影响。T . R .H a