摘 要:對(duì)一種含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料試塊進(jìn)行了超聲 C掃描和 A 掃描檢測(cè)。 針對(duì)5MHz探頭無(wú)法檢出近表面分層及15MHz探頭聲波無(wú)法穿透試塊的問(wèn)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(cè)方法和特征缺陷判定方法,并對(duì)某典型結(jié)構(gòu)件開(kāi)展了實(shí)際檢測(cè)。結(jié)果表明:超聲噴水式穿透法可 以有效檢測(cè)出分層、脫黏等缺陷,適合制造階段的檢測(cè);使用定制的改進(jìn)型高頻探頭進(jìn)行接觸式檢 測(cè),能可靠、直觀地檢測(cè)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(cè)。

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

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-6656(2022)07-0055-05

超材料是由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人工復(fù)合電 磁材料,其通過(guò)結(jié)構(gòu)單元中特殊電磁模式的激發(fā),可 以實(shí)現(xiàn) 自 然 材 料 無(wú) 法 實(shí) 現(xiàn) 或 很 難 實(shí) 現(xiàn) 的 獨(dú) 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(dú)特的功能特征正逐步應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)于含超材料的結(jié)構(gòu)功能一體件 是否仍然適用,目前國(guó)內(nèi)鮮有相關(guān)研究。實(shí)際生產(chǎn) 檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),相比傳統(tǒng)復(fù)合材料,超材料會(huì)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(cè)手段無(wú)法同時(shí) 發(fā)現(xiàn)近表面缺陷和遠(yuǎn)表面缺陷。

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

1 試驗(yàn)制備與檢測(cè)過(guò)程

1.1 檢測(cè)試塊

檢測(cè)對(duì)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(qiáng)度,超 材料兩側(cè)與石英纖維預(yù)浸料均使用膠膜進(jìn)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(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)。超聲 C 掃描采用 NUSCAN 型超聲噴水穿透法 C 掃描檢測(cè)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(cè) 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(cè)過(guò)程

噴水穿透法使用平探頭時(shí),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(chǎng)距離前 后。把水程距離調(diào)整到探頭的近場(chǎng)距離附近,使試 塊位于超聲波聲場(chǎng)的最后一個(gè)聲壓極大值處。

由于穿透法只能檢測(cè)在聲傳播路徑中相對(duì)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(cè)過(guò)程中需隨時(shí)保持兩探頭的聲束軸線與試 塊表面垂直。

接觸式反射法對(duì)缺陷的檢測(cè)能力在很大程度上 取決于探頭的頻率。頻率高時(shí),聲波波長(zhǎng)短、聲束 窄、擴(kuò)散角小、能量集中,因而發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強(qiáng), 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(duì)于普通延遲平探頭而言很難兼得。

針對(duì)衰減率大于碳纖維的石英纖維,在選擇探 頭頻率時(shí),若對(duì)近表面分辨力的要求較高,則勢(shì)必會(huì) 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(jìn)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(jìn)行對(duì)比 分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 C掃描檢測(cè)結(jié)果

試塊的穿透法 C 掃描檢測(cè)結(jié)果如圖 3 所示。 由圖3可見(jiàn),9個(gè)缺陷均有明顯顯示;優(yōu)區(qū)的衰減均勻,無(wú)缺陷顯示。

試塊 C掃描人工缺陷的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示, 缺陷的檢測(cè)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(dá)到評(píng)定缺陷的靈敏度標(biāo)準(zhǔn), 與常規(guī)碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料制件的檢測(cè)結(jié)果相 比,無(wú)明顯差異。

由此可見(jiàn),穿透法 C 掃描能夠有效檢測(cè)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(píng)定門(mén)檻值可以滿足工程化檢測(cè)的需求。

2.2 A掃描檢測(cè)結(jié)果

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

由圖4可見(jiàn),試塊的表面回波和底面回波清晰 可見(jiàn),且波幅較高,兩者之間對(duì)應(yīng)深度的時(shí)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(dá) 到80%FSH(滿 屏 高 度)時(shí),底 面 回 波 達(dá) 到 40% FSH,且隨著探頭在非缺陷區(qū)的移動(dòng),超材料界面 波高保持不變。

當(dāng)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(shí),在時(shí)基線上 對(duì)應(yīng)深度的時(shí)域位置出現(xiàn)人工缺陷的反射回波,同 時(shí)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(dá)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(qiáng)的反射,故該超材料薄膜對(duì)于超聲波 具有反射性與透射性的雙重特點(diǎn)。

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(méi)在表面回 波之中,無(wú)法有效識(shí)別。

使用15MHz探頭對(duì)試塊采用同樣參數(shù)進(jìn)行檢 測(cè),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(shí)域位置上 顯著區(qū)分。由于高頻聲波的波長(zhǎng)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(hào)微弱。當(dāng)探頭置于2 # ~9 # 缺陷上時(shí),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(shí)別[4](見(jiàn)圖7)。

由此可見(jiàn),5MHz探頭可以穿透試塊得到波幅 穩(wěn)定的底面回波并能識(shí)別出其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征,卻 沒(méi)有足夠的分辨力識(shí)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(jìn)型高頻延遲平探頭,以解決兩者不可兼顧 的問(wèn)題。

2.3 改進(jìn)與對(duì)比分析

改進(jìn)的探頭頻率為15 MHz,在不改變檢測(cè)條 件的情況下,其對(duì)試塊的檢測(cè)波形如圖8,9所示,可 見(jiàn)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(jiàn)圖8,9)。同時(shí),改進(jìn)型探頭對(duì)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(lèi) 型 的 15MHz探頭。

在相同的檢測(cè)條件下,對(duì)改進(jìn)型15 MHz延遲 平探頭與常規(guī)5 MHz和15 MHz探頭的檢測(cè)效果分別進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如表2所示。

改進(jìn)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(shí)在空載脈沖周數(shù)和始脈沖寬度上優(yōu)于另兩個(gè)探 頭,具有更高的縱向分辨力。

3 檢測(cè)實(shí)例

對(duì)某型號(hào)飛機(jī)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(jìn)行了超聲檢測(cè)。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(jìn)行 A 掃描檢測(cè)。探頭在零件 上按照規(guī)定的掃描路徑移動(dòng),以使聲束全部覆蓋零 件的待檢測(cè)部位。

使用常規(guī)5 MHz探頭對(duì)該零件進(jìn)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(dòng)探頭時(shí),波形基本保持不變。該類(lèi)波形表示零件內(nèi)部無(wú)缺陷。

典型波形2的表面回波清晰可見(jiàn),脈沖寬度為 2.5周,在表面回波之后無(wú)其他反射回波,無(wú)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(lèi)波形表示零件的對(duì)應(yīng)區(qū)域存在異常。

使用改進(jìn)型15HMz探頭對(duì)待檢測(cè)部位進(jìn)行重 新掃查,得到內(nèi)部無(wú)缺陷區(qū)域的波形如圖12所示, 可見(jiàn),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(duì)出現(xiàn)典型波形2的區(qū)域, 使用改進(jìn)型15 HMz探頭掃查得到的波形如圖13 所示,可見(jiàn),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(shí)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(duì)比 改 進(jìn) 前 后 探 頭 的 檢 測(cè) 結(jié) 果 可 知,改 進(jìn) 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(shí)底波波幅相同, 說(shuō)明其穿透力與常規(guī)5MHz探頭相當(dāng),能夠檢測(cè)整 個(gè)工件厚度范圍內(nèi)不同深度的缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)超聲穿透法 C掃描檢測(cè)能夠有效檢測(cè)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(píng)定門(mén)檻值能夠滿足制造階段工程化檢測(cè) 的需求。

(2)對(duì)于反射法超聲 A 掃描檢測(cè),當(dāng)采用常規(guī) 5MHz探頭檢測(cè)時(shí),無(wú)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(wú)法有效檢測(cè)其他深度的缺陷。

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

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