摘 要:對一種含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料試塊進行了超聲 C掃描和 A 掃描檢測。 針對5MHz探頭無法檢出近表面分層及15MHz探頭聲波無法穿透試塊的問題,研發(fā)定制了具備 高分辨力和高穿透力的超聲換能器,建立了適用于含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的超聲檢 測方法和特征缺陷判定方法,并對某典型結(jié)構(gòu)件開展了實際檢測。結(jié)果表明:超聲噴水式穿透法可 以有效檢測出分層、脫黏等缺陷,適合制造階段的檢測;使用定制的改進型高頻探頭進行接觸式檢 測,能可靠、直觀地檢測出材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷信息,適合裝配和在役階段的檢測。 

關(guān)鍵詞:超材料;電磁微結(jié)構(gòu);復(fù)合材料;超聲波檢測 

中圖分類號:TG115.28                                                    文獻標志碼:A                                  文章編號:1000-6656(2022)07-0055-05

超材料是由亞波長結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人工復(fù)合電 磁材料,其通過結(jié)構(gòu)單元中特殊電磁模式的激發(fā),可 以實現(xiàn) 自 然 材 料 無 法 實 現(xiàn) 或 很 難 實 現(xiàn) 的 獨 特 功 能[1-2]。含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料更是 一種兼具了某種電磁功能與結(jié)構(gòu)承載功能的新型結(jié) 構(gòu)。隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的發(fā)展以及武器裝備的 不斷更新?lián)Q代,含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化制件因 其獨特的功能特征正逐步應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。 

超聲檢測技術(shù)對于含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體件 是否仍然適用,目前國內(nèi)鮮有相關(guān)研究。實際生產(chǎn) 檢測中發(fā)現(xiàn),相比傳統(tǒng)復(fù)合材料,超材料會呈現(xiàn)出一 些特殊的超聲表征,石英纖維預(yù)浸料的單層厚度是 碳纖維的1/2,使用常規(guī)的超聲檢測手段無法同時 發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和遠表面缺陷。 

文章采用穿透法和反射法對某種含超材料的結(jié) 構(gòu)功能一體化復(fù)合材料試塊進行了超聲檢測試驗, 確定了適用于零件各個工序階段的檢測方法;針對 常規(guī)探頭近表面分辨力與穿透性無法同時兼顧的問 題,研發(fā)定制了改進型高頻探頭,通過檢測效果對比和檢測實例驗證,確定了一次掃查就能可靠識別出 材料內(nèi)部所有缺陷的檢測方法,為后續(xù)檢測工作奠 定基礎(chǔ)。

1 試驗制備與檢測過程 

1.1 檢測試塊 

檢測對象為含某種超材料的石英纖維層壓板與 碳纖維層壓板黏接結(jié)構(gòu)試塊,采用熱壓罐二次固化 成型。為了保證超材料與基體材料之間的強度,超 材料兩側(cè)與石英纖維預(yù)浸料均使用膠膜進行黏接。

試塊整體厚度為3.095mm,超材料置于石英纖 維層板中(約為0.46mm 深度處),石英纖維預(yù)浸料 的單層理論厚度為0.09mm。 

試塊中預(yù)埋了雙層聚四氟乙烯薄膜制成的人工 缺陷,缺陷直徑為6mm,分別預(yù)埋在不同的深度位 置上,包括石英纖維層板的上表面2~3層之間、超 材料與膠膜之間、石英纖維層板的下表面2~3層之 間,以及石英纖維層板與碳纖維層板之間的膠接界 面、碳纖維層板的上表面2~3層間、中間層和下表 面2~3層間。試塊的鋪層結(jié)構(gòu)及人工缺陷的預(yù)埋 位置如圖1、圖2所示。 

1.2 設(shè)備與探頭 

分別采用噴水穿透法 C 掃描和接觸反射法 A 掃描兩種方法對試塊進行檢測。超聲 C 掃描采用 NUSCAN 型超聲噴水穿透法 C 掃描檢測系統(tǒng);超 聲換能器為水浸平探頭,晶片直徑為19 mm,頻率 為5MHz;噴嘴直徑為6mm。反射法超聲 A 掃描采用聲納公司制造的 Masterscan700型超聲波檢測 儀,探頭晶片尺寸為0.25inch(1inch=25.4 mm) 的延遲平探頭,探頭頻率為5~15MHz。

1.3 檢測過程 

噴水穿透法使用平探頭時,應(yīng)使被檢件處于發(fā) 射探頭與接收探頭的有效工作區(qū)內(nèi),即近場距離前 后。把水程距離調(diào)整到探頭的近場距離附近,使試 塊位于超聲波聲場的最后一個聲壓極大值處。

由于穿透法只能檢測在聲傳播路徑中相對聲束 而言尺寸較大的缺陷[3],故噴嘴直徑應(yīng)不大于人工 缺陷的大小,以保證能夠清晰顯示需檢出的人工缺 陷。檢測過程中需隨時保持兩探頭的聲束軸線與試 塊表面垂直。

接觸式反射法對缺陷的檢測能力在很大程度上 取決于探頭的頻率。頻率高時,聲波波長短、聲束 窄、擴散角小、能量集中,因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強, 空間分辨力好,但聲波在材料中的衰減隨頻率的增 高而增大,故穿透力較低。因此,高分辨力和高穿透 力對于普通延遲平探頭而言很難兼得。 

針對衰減率大于碳纖維的石英纖維,在選擇探 頭頻率時,若對近表面分辨力的要求較高,則勢必會 犧牲聲波的穿透能力,因此應(yīng)根據(jù)制件的厚度和空 間分辨力的需求進行綜合考量。

試塊的一側(cè)是單層厚度為0.09 mm 的石英纖 維層板,人工缺陷預(yù)埋在近表面2~3層間,聲波需 從石英纖維層板一側(cè)入射,故近表面分辨力要求為 可分辨0.18mm 的?6mm 分層,根據(jù)石英纖維的 高衰減率和試塊整體厚度較大的客觀情況,文章選 取了5MHz和15 MHz兩種頻率的探頭進行對比 分析。 

2 結(jié)果與討論 

2.1 C掃描檢測結(jié)果

試塊的穿透法 C 掃描檢測結(jié)果如圖 3 所示。 由圖3可見,9個缺陷均有明顯顯示;優(yōu)區(qū)的衰減均勻,無缺陷顯示。 

試塊 C掃描人工缺陷的檢測數(shù)據(jù)如表1所示, 缺陷的檢測尺寸均在精確尺寸的±25%以內(nèi),滿足 設(shè)備允許的誤差范圍;缺陷區(qū)與非缺陷區(qū)的平均衰 減差約為10dB,可以達到評定缺陷的靈敏度標準, 與常規(guī)碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料制件的檢測結(jié)果相 比,無明顯差異。

由此可見,穿透法 C 掃描能夠有效檢測出試塊 中預(yù)埋在不同深度處的人工缺陷,缺陷的顯示尺寸 和評定門檻值可以滿足工程化檢測的需求。 

2.2 A掃描檢測結(jié)果 

探頭在試塊上按照規(guī)定的掃描路徑進行掃查, 使聲束全部覆蓋試塊待檢測部位。對試塊的非缺陷 區(qū)進行大量的 A 掃描檢測試驗,5MHz探頭的波形 如圖4所示。

由圖4可見,試塊的表面回波和底面回波清晰 可見,且波幅較高,兩者之間對應(yīng)深度的時域位置存 在超材料界面波和板板黏接的膠膜波,其中超材料 界面波的脈沖寬度較寬而與表面回波相連,其波幅 高度略低于表面回波的波幅高度。超材料界面波達 到80%FSH(滿 屏 高 度)時,底 面 回 波 達 到 40% FSH,且隨著探頭在非缺陷區(qū)的移動,超材料界面 波高保持不變。 

當探頭置于超材料與石英纖維層板之間的脫 黏、石英纖維層板與碳纖維層板之間的脫黏、石英纖 維層板的下表面以及碳纖維的上表面/中間層/下表 面的分層缺陷(即2 # ~9 # 缺陷)上時,在時基線上 對應(yīng)深度的時域位置出現(xiàn)人工缺陷的反射回波,同 時底波消失。人工缺陷的波幅高度均滿足4∶1的信 噪比要求。 

由圖4和脈沖反射法的原理可知,超聲波能夠 穿透材料內(nèi)部的超材料和膠膜到達試塊底面并發(fā)生 反射,超材料界面波波幅較高代表一部分聲波被阻 擋產(chǎn)生了較強的反射,故該超材料薄膜對于超聲波 具有反射性與透射性的雙重特點。 

石英纖維層板內(nèi)近表面缺陷(即1 # 缺陷)的 A 掃波形如圖5所示(使用5MHz探頭),由于始脈沖 寬度大,近表面分層缺陷的反射回波淹沒在表面回 波之中,無法有效識別。

使用15MHz探頭對試塊采用同樣參數(shù)進行檢 測,非 缺 陷 區(qū) 和 近 表 面 分 層 缺 陷 的 A 掃 波 形 如 圖6,7所示。 

由圖6可知,15MHz探頭的始脈沖寬度窄,盲 區(qū)較小,表面回波與超材料界面波可從時域位置上 顯著區(qū)分。由于高頻聲波的波長較短,穿透力較差, 故超材料界面波和膠膜波的波幅較低,底面回波信 號微弱。當探頭置于2 # ~9 # 缺陷上時,反射回波 的信噪比小于2∶1,缺陷不易分辨,而更窄的脈沖寬 度能夠有效提高探頭的縱向分辨力,靠近表面的分層則更容易被識別[4](見圖7)。

由此可見,5MHz探頭可以穿透試塊得到波幅 穩(wěn)定的底面回波并能識別出其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征,卻 沒有足夠的分辨力識別近表面分層;15 MHz探頭 的近表面分辨力很好但穿透力不足。為此,研發(fā)了 一款改進型高頻延遲平探頭,以解決兩者不可兼顧 的問題。 

2.3 改進與對比分析 

改進的探頭頻率為15 MHz,在不改變檢測條 件的情況下,其對試塊的檢測波形如圖8,9所示,可 見其表面回波的脈沖寬度較常規(guī)5MHz探頭的脈 沖寬度減少了 50%,近表面分 層 缺 陷 清 晰 可 分 辨 (見圖8,9)。同時,改進型探頭對于非缺陷區(qū)的穿 透力與 5 MHz探 頭 的 相 近,明 顯 優(yōu) 于 同 類 型 的 15MHz探頭。 

在相同的檢測條件下,對改進型15 MHz延遲 平探頭與常規(guī)5 MHz和15 MHz探頭的檢測效果分別進行了對比分析,結(jié)果如表2所示。 

改進型15 MHz探頭兼具了5 MHz探頭的穿 透力、信噪比以及15MHz探頭的近表面分辨力,同 時在空載脈沖周數(shù)和始脈沖寬度上優(yōu)于另兩個探 頭,具有更高的縱向分辨力。 

3 檢測實例 

對某型號飛機結(jié)構(gòu)功能一體化零件的局部含超 材料區(qū)域(在裝配鉆孔后)進行了超聲檢測。該區(qū)域 所用的材料、鋪層和結(jié)構(gòu)形式與上文所述的試塊相 近,即內(nèi)部鋪貼了超材料膜的石英纖維層板與碳纖 維層板的板板膠接結(jié)構(gòu)。由于零件處于裝配階段, 采用接觸式反射法進行 A 掃描檢測。探頭在零件 上按照規(guī)定的掃描路徑移動,以使聲束全部覆蓋零 件的待檢測部位。

使用常規(guī)5 MHz探頭對該零件進行大范圍的 A 掃描,得到的兩種典型波形如圖10,11所示。

典型波形1的表面回波脈沖寬度為2.5周,超材 料界面波、膠膜波與底面回波相距很近,底波波幅高 度約為20%FSH,在該掃描區(qū)域緩慢移動探頭時,波形基本保持不變。該類波形表示零件內(nèi)部無缺陷。

典型波形2的表面回波清晰可見,脈沖寬度為 2.5周,在表面回波之后無其他反射回波,無法從波形 圖中判斷引起超材料界面波、膠膜波和底面回波消失 的原因。該類波形表示零件的對應(yīng)區(qū)域存在異常。

使用改進型15HMz探頭對待檢測部位進行重 新掃查,得到內(nèi)部無缺陷區(qū)域的波形如圖12所示, 可見,表面回波的脈沖寬度為 1.5 周,超材料界面 波、膠膜波與底波之間有一定間距可明顯區(qū)分,底波 波幅高度為20%FSH。對出現(xiàn)典型波形2的區(qū)域, 使用改進型15 HMz探頭掃查得到的波形如圖13 所示,可見,在表面回波之后靠近表面回波的位置出 現(xiàn)一處明顯的反射回波,同時超材料界面波、膠膜波 和底波消失。由此可以判斷該區(qū)域靠近入射面近表 面處存在分層缺陷,缺陷深度約為零件厚度的1/13。

對比 改 進 前 后 探 頭 的 檢 測 結(jié) 果 可 知,改 進 型 15MHz延遲平探頭可以顯著改善始脈沖的周數(shù)和 脈沖寬度,提高近表面分辨力,同時底波波幅相同, 說明其穿透力與常規(guī)5MHz探頭相當,能夠檢測整 個工件厚度范圍內(nèi)不同深度的缺陷。 

4 結(jié)語

(1)超聲穿透法 C掃描檢測能夠有效檢測出試 塊中預(yù)埋在不同深度的分層和脫黏缺陷,缺陷的顯 示尺寸和評定門檻值能夠滿足制造階段工程化檢測 的需求。

(2)對于反射法超聲 A 掃描檢測,當采用常規(guī) 5MHz探頭檢測時,無法有效區(qū)分近表面0.18mm 的分層缺陷,其他深度的人工缺陷均可檢出;使用常 規(guī)15MHz探頭可以分辨近表面缺陷,但穿透力不 足,無法有效檢測其他深度的缺陷。

(3)使用改進型15MHz延遲平探頭能夠彌補 常規(guī)5MHz和15 MHz探頭在檢測結(jié)構(gòu)功能一體 化復(fù)合材料時的弊端,可同時具備高分辨力和高穿 透力的特性,能夠通過一次檢測發(fā)現(xiàn)試塊中的所有 缺陷,有效提高檢測效率,適合受檢測面限制的裝配 及在役檢測。 

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<文章來源  >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 無損檢測 > 44卷 > 7期 (pp:55-59)>