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分享↟↟│✘:含超材料的結構功能一體化複合材料的超聲檢測

2022-09-09 08:51:08 

摘 要:對一種含超材料的結構功能一體化複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,研發定製了具備 高分辨力和高穿透力的超聲換能器,建立了適用於含超材料的結構功能一體化複合材料的超聲檢 測方法和特徵缺陷判定方法,並對某典型結構件開展了實際檢測◕│╃✘。結果表明:超聲噴水式穿透法可 以有效檢測出分層·│◕、脫黏等缺陷,適合製造階段的檢測;使用定製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部結構和缺陷資訊,適合裝配和在役階段的檢測◕│╃✘。

關鍵詞:超材料;電磁微結構;複合材料;超聲波檢測

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


超材料是由亞波長結構單元構成的人工複合電 磁材料,其透過結構單元中特殊電磁模式的激發,可 以實現 自 然 材 料 無 法 實 現 或 很 難 實 現 的 獨 特 功 能[1-2]◕│╃✘。含超材料的結構功能一體化複合材料更是 一種兼具了某種電磁功能與結構承載功能的新型結 構◕│╃✘。隨著現代航空航天技術的發展以及武器裝備的 不斷更新換代,含超材料的結構功能一體化製件因 其獨特的功能特徵正逐步應用於航空航天領域◕│╃✘。

超聲檢測技術對於含超材料的結構功能一體件 是否仍然適用,目前國內鮮有相關研究◕│╃✘。實際生產 檢測中發現,相比傳統複合材料,超材料會呈現出一 些特殊的超聲表徵,石英纖維預浸料的單層厚度是 碳纖維的1/2,使用常規的超聲檢測手段無法同時 發現近表面缺陷和遠表面缺陷◕│╃✘。

文章採用穿透法和反射法對某種含超材料的結 構功能一體化複合材料試塊進行了超聲檢測試驗, 確定了適用於零件各個工序階段的檢測方法;針對 常規探頭近表面分辨力與穿透性無法同時兼顧的問 題,研發定製了改進型高頻探頭,透過檢測效果對比和檢測例項驗證,確定了一次掃查就能可靠識別出 材料內部所有缺陷的檢測方法,為後續檢測工作奠 定基礎◕│╃✘。

1 試驗製備與檢測過程

1.1 檢測試塊

檢測物件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構試塊,採用熱壓罐二次固化 成型◕│╃✘。為了保證超材料與基體材料之間的強度,超 材料兩側與石英纖維預浸料均使用膠膜進行黏接◕│╃✘。

試塊整體厚度為3.095mm,超材料置於石英纖 維層板中(約為0.46mm 深度處),石英纖維預浸料 的單層理論厚度為0.09mm◕│╃✘。

試塊中預埋了雙層聚四氟乙烯薄膜製成的人工 缺陷,缺陷直徑為6mm,分別預埋在不同的深度位 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◕│╃✘。試塊的鋪層結構及人工缺陷的預埋 位置如圖1·│◕、圖2所示◕│╃✘。

1.2 裝置與探頭

分別採用噴水穿透法 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 掃描採用 NUSCAN 型超聲噴水穿透法 C 掃描檢測系統;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 掃描採用聲納公司製造的 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,應使被檢件處於發 射探頭與接收探頭的有效工作區內,即近場距離前 後◕│╃✘。把水程距離調整到探頭的近場距離附近,使試 塊位於超聲波聲場的最後一個聲壓極大值處◕│╃✘。

由於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],故噴嘴直徑應不大於人工 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 取決於探頭的頻率◕│╃✘。頻率高時,聲波波長短·│◕、聲束 窄·│◕、擴散角小·│◕、能量集中,因而發現小缺陷的能力強, 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 力對於普通延遲平探頭而言很難兼得◕│╃✘。

針對衰減率大於碳纖維的石英纖維,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,因此應根據製件的厚度和空 間分辨力的需求進行綜合考量◕│╃✘。

試塊的一側是單層厚度為0.09 mm 的石英纖 維層板,人工缺陷預埋在近表面2~3層間,聲波需 從石英纖維層板一側入射,故近表面分辨力要求為 可分辨0.18mm 的?6mm 分層,根據石英纖維的 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 結果與討論

2.1 C掃描檢測結果

試塊的穿透法 C 掃描檢測結果如圖 3 所示◕│╃✘。 由圖3可見,9個缺陷均有明顯顯示;優區的衰減均勻,無缺陷顯示◕│╃✘。

試塊 C掃描人工缺陷的檢測資料如表1所示, 缺陷的檢測尺寸均在精確尺寸的±25%以內,滿足 裝置允許的誤差範圍;缺陷區與非缺陷區的平均衰 減差約為10dB,可以達到評定缺陷的靈敏度標準, 與常規碳纖維預浸料複合材料製件的檢測結果相 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掃描檢測結果

探頭在試塊上按照規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,兩者之間對應深度的時域位置存 在超材料介面波和闆闆黏接的膠膜波,其中超材料 介面波的脈衝寬度較寬而與表面回波相連,其波幅 高度略低於表面回波的波幅高度◕│╃✘。超材料介面波達 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的移動,超材料介面 波高保持不變◕│╃✘。

當探頭置於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 對應深度的時域位置出現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和脈衝反射法的原理可知,超聲波能夠 穿透材料內部的超材料和膠膜到達試塊底面併發生 反射,超材料介面波波幅較高代表一部分聲波被阻 擋產生了較強的反射,故該超材料薄膜對於超聲波 具有反射性與透射性的雙重特點◕│╃✘。

石英纖維層板內近表面缺陷(即1 # 缺陷)的 A 掃波形如圖5所示(使用5MHz探頭),由於始脈衝 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探頭對試塊採用同樣引數進行檢 測,非 缺 陷 區 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探頭的始脈衝寬度窄,盲 區較小,表面回波與超材料介面波可從時域位置上 顯著區分·│₪☁•。由於高頻聲波的波長較短,穿透力較差, 故超材料介面波和膠膜波的波幅較低,底面回波信 號微弱·│₪☁•。當探頭置於2 # ~9 # 缺陷上時,反射回波 的信噪比小於2∶1,缺陷不易分辨,而更窄的脈衝寬 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 穩定的底面回波並能識別出其內部的結構特徵,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 見其表面回波的脈衝寬度較常規5MHz探頭的脈 衝寬度減少了 50%,近表面分 層 缺 陷 清 晰 可 分 辨 (見圖8,9)·│₪☁•。同時,改進型探頭對於非缺陷區的穿 透力與 5 MHz探 頭 的 相 近,明 顯 優 於 同 類 型 的 15MHz探頭·│₪☁•。