无损检测：复合材料的超声检测技术

y 分析了复合材料蜂窝结构中导波的传播，使用Guided UltrasoNIcs公司生产的应力波分析仪对蜂窝板的脱粘缺陷进行了检测。法国M.Castaings 等人用Lamb波对EADS-ASTRIUM公司的高压复合材料油箱进行健康监测，激发了识别为A0 模式的L a m b波，在传播过程中对碳纤维环氧体复合材料的微裂纹较为敏感，试验结果有很好的信噪比，为使用中的高压复合材料油箱提供了无损健康监测的可能性。 M.Castaings等人还在玻璃环氧体复合材料中激发了L a m b 波和S H导波，研究了不同模式下的相速度的变化，获得的结果与理论有良好的一致性。国内如北京工业大学、同济大学等研究机构的主要精力集中在大型板壳、管道、铁轨等方面，其中部分产品已投入实际使用。北京航空航天大学无损检测研究室开展了大型复合材料板壳粘接质量的超声导波检测技术研究，对铝蒙皮蜂窝板的脱粘缺陷进行了导波线扫描检测。

3 空气耦合超声检测技术

传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。非接触空气耦合超声检测方法是解决这个问题的可行途径之一。空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进行快速扫描。另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性的表征。目前，国外已开始将空气耦合超声检测技术用于某些复合材料板的检测，可以检测出脱粘、脱层、气孔、夹杂和纤维断裂等缺陷，可以解决传统液体耦合超声检测方法不能解决的问题。但是，空气耦合超声检测的信号衰减很大，声阻抗较高的材料很难实现在线检测，必须采用特殊机制来改进，而且采用脉冲回波法进行检测的难度较大，多数采用穿透法检测和斜入射检测。

立陶宛考纳斯科技大学的K a z y s 等人采用斜入射同侧检测方式，研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0 模式L a mb 波的板边回波特性，由于损伤区域有很强的能量泄漏，所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷，并估计其大小。波兰格坦斯克科技大学的Imi el i n s k a等人采用空气耦合探头和穿透式超声C 扫描技术对多层聚合体复合材料的冲击损伤进行了检测研究，与X射线检测结果比较后表明，该方法更快、更方便、更准确，且可用于检测一些X 射线无法检测的材料。美国爱荷华州立大学无损检测中心的H S U 和印度G E 全球研究中心的Kommareddy等合作，利用压电陶瓷空气耦合换能器，开展了复合材料零部件的缺陷检测和修复评价的研究工作，并研制了相应的空气耦合超声扫描系统，在飞机零部件阵地探伤中得以使用;英国伦敦大学的Berketis等人利用空气耦合超声检测方法对潜艇用玻璃纤维增强型复合材料的损伤和退化进行了检测和评价，获得了用水耦合超声检测方法得不到的效果。丹麦国家实验室的Bo r u m 与丹麦工业大学的Berggreen等人合作，利用空气耦合超声波，采用穿透法，对海军舰艇用层状叠合复合材料板进行检测，结果显示，该方法可以检测出上述材料板中的脱粘。

4 激光超声检测技术

激光超声是目前国内外研究最活跃的非接触超声检测方法之一。它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，形成热应力，在物体内部产生超声波。激光超声检测可分3种：一种用激光在工件中产生超声波，用P Z T 等常规超声探头接收超声波进行检测;另一种用P Z T等常规超声波探头激励超声波，用激光干涉法检测工件中的超声波;还有一种用激光激励超声波，并用激光干涉法检测工件中的超声波，此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。超声波的激励或探测可通过激光进行，不需要耦合剂，因而可实现远距离非接触检测，检测距离可从几十厘米到数米。所激发的超声波具有很宽的频带，从几百kH z到几G Hz，可用于薄膜测量分析等一些特殊应用场合。而且探测激光可聚焦到非常小的点，可实现高达数微米的空间分辨力。此外，激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波，是试验验证各种复杂媒质中声传播理论的有效手段。近年来，已发展成超声学中的重要分支，并在激光超声信号的激发与接收、传播以及应用等方面取得很大进展。

激光超声检测的快速、远距离和高分辨力等特性适用于常规压电检测技术难以检测的形状结构较复杂