关键词：低成本复合材料；超声检测；多功能对比试块；阶梯型对比试块；
1 引言
先进复合材料以其优异的比强度、比模量以及各向异性和可设计性在航空航天领域得到了较为广泛的应用[1]。随着先进复合材料制造技术的发展，复合材料越来越多地应用于飞机机体结构。国际知名机型的复合材料使用量已经达到单机35吨。
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图1先进复合材料在航空航天上的应用
目前，国内自主研发生产的首款低成本全碳纤维复合材料轻型公务机翼梁厚度高达22mm，局部填充区域厚度高达30mm。为复合材料层压板结构的无损检测提出更为严苛的要求。由于低成本制造的复合材料对超声波衰减严重，且零件厚度较大，材料内部自然缺陷通过超声波无损检测的方法得到的当量尺寸无法通过几个离散埋深人工缺陷进行评定，因此本文针对低成本先进复合材料超声波传播规律及材料自然缺陷性质，立足于大厚度低成本复材零件超声波检测，研制出适用于低成本先进复合材料超声检测的多功能阶梯对比试块。该试块使用方便，仅6块就能满足该全复材飞机零件层压板区域超声波检测，经超声波C扫描验证，试块人工缺陷超声波反射明显，对比试块能够快速校准超声波探伤仪的近表面及底面分辨力，能够准确检测低成本先进复合材料内部分层、夹杂缺陷，并准确判定缺陷当量尺寸，以及判定材料内部空隙含量是否超过验收标准。
2 低温固化复合材料超声波传播特点
先进复合材料低温固化技术是使用低成本固化装备、固化能耗低、可制造大尺寸复合材料层压板结构，制件尺寸受固化装备容积限制较小[2]，但相比热压罐成型的复合材料零件，低温固化零件孔隙含量更高，复合材料对超声波衰减更为严重[3]。图2为低温固化树脂基碳纤维复合材料超声衰减规律。该衰减曲线采用Olympus Epoch 1000型超声波探伤仪，设置参数为：电压200V、阻尼50Ω、方波脉冲，探头为Olympus V126 5MHz。测试过程记录厚度为0.45mm-22.87mm范围内的28个厚度值对应的底波波高80%增益值。
如图2所示，低温固化碳纤维复合材料超声衰减规律近似于线性变化，随着材料厚度的增加，超声波衰减增大，线性斜率K值为0.732，表明低温固化碳纤维复合材料对超声波衰减严重且衰减规律趋于线性。
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图2 低温固化复合材料超声波衰减情况
3 低成本复合材料层压板结构常见缺陷及超声检测波形特征
3.1 低成本复合材料常见缺陷
相比热压罐成型技术，低成本复合材料使用较低温度真空固化成型。固化后相比热压罐成型复合材料更容易产生如图3中所示的分层、空隙[4]，以及在预浸料铺贴过程中产生的夹杂类缺陷[5]。
（a）分层缺陷图片 （b）空隙类缺陷SEM图片 （c）夹杂类缺陷图片.png)
图3 低温固化复合材料常见缺陷
3.2 低成本复合材料常见缺陷超声检测C扫描特征
为更为直观地观察材料内部缺陷，使用型号为Zircon超声波C扫描探伤仪，搭配5MHz、64晶片线阵列纵波直探头对低成本复合材料常见缺陷进行检测，得到如下图所示的超声波B型显示图像。图像X轴表示被检件长度方向，Y轴表示材料厚度方向。
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（a）分层缺陷 （b）夹杂缺陷 （c）空隙缺陷
图4 复合材料常见缺陷超声波B型显示图片
图4-a所示为典型分层缺陷：缺陷显示位于始波与底波中间，显示清晰，且位于分层缺陷下方的底波显示消失，分层缺陷范围以外底波显示清晰。图4-b为典型夹杂缺陷，缺陷显示同样位于始波与底波中间，且底面显示依然存在。图4-c为空隙缺陷，缺陷显示特征为超声波底波显示消失，且始波与底波中间没有明显的缺陷显示。
4. 低成本先进复合材料层压板结构多功能超声检测阶梯对比试块设计
超声检测对比试块是超声波检测仪校准及仪器发现复合材料内部缺陷、判定复合材料内部缺陷当量尺寸的重要依据。根据HB 7825-2007《复合材料制件无损检测对比试块制作及要求》中的规定，对比试块中的人工缺陷应能够最大程度模拟相关类型自然缺陷性质及特征[6]。复合材料对比试块还应尽可能准确的确定被检材料内部自然缺陷的当量尺寸。为综合满足上诉要求，特将先进复合材料层压板结构多功能对比试块设计成图5所示结构。
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图5 阶梯对比试块示意图
如图5所示，在不同的阶梯厚度上预置上相应的缺陷。通过两片叠加的聚四氟乙烯薄膜模拟分层缺陷，而单片聚四氟乙烯薄膜模拟夹杂缺陷。将超声波探头放置在人工缺陷上下表面时，分别校验超声波检测仪的下表面和近表面分辨力。当试块用于确定自然缺陷当量尺寸时，可以选择与自然缺陷埋深相同的人工缺陷进行比较，准确判定被检零件是否超标。阶梯对比试块在铺贴过程中有意留出一半面积的无缺陷层压板区域，作为同厚度复材制件空隙含量评定区。在实际检测过程中利用阶梯试块同厚度无缺陷区域与被检材料超声波底波进行对比，判定被检材料内部空隙含量是否可以接收。
5. 低成本多功能超声检测阶梯对比试块验证
使用Zircon超声波C扫描探伤设备、线阵列纵波直探头对阶梯对比试块进行验证，得到图6所示超声波扫描图像。图6-a、6-b为超声波检测阶梯对比试块近表面缺陷及底面缺陷的分辨力情况，对比试块中的人工缺陷分别放在距离上表面和下表面两层预浸料中间，图中缺陷显示清晰。图6-c为人工缺陷C扫描图像，预埋缺陷轮廓清晰，超声波在缺陷界面反射良好。人工缺陷预埋在不同阶梯，因此可以通过与阶梯试块中不同埋深人工缺陷的对比，快速、准确地判定出自然缺陷的当量尺寸。
（a）近表面缺陷分辨力验证图像 （b）底面缺陷分辨力验证图像
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（c）超声C扫人工缺陷尺寸验证图像
图6 对比试块验证检测结果图
6. 结论
针对低成本复合材料超声衰减规律，研制出适用于低成本复合材料超声检测阶梯对比试块。对比试块中的人工预埋缺陷能够为超声波提供一个较好地反射界面，超声C扫人工缺陷外形轮廓清晰。对比试块可准确对比出复合材料任一埋深的分层、夹杂缺陷当量尺寸，能够评定复合材料深度方向的空隙含量情况。相比传统复合材料对比试块，阶梯对比试块可通过位于不同阶梯人工预埋缺陷对任一埋深自然缺陷进行当量对比，检测效率更高且不存在具体埋深缺陷无法准确评定当量的情况。
参考文献
[1] 《新航空概论》编写组. 新航空概论. 北京：航空工业出版社，2010.
[2] 包建文，等. 高效低成本复合材料及其制造技术. 北京：国防工业出版社， 2012
[3] 陈祥宝，张宝艳，李斌太. 低温固化高性能复合材料技术. 材料工程. 2011， (1): 1-6
[4] 何方成，史亦伟. 树脂基复合材料孔隙率超声表征技术研究. 航空材料学报，2006.26（3）：255-256.
[5] 王小勇，锐华. 先进复合材料中的主要缺陷与无数检测技术评价. 无损检测，2006（4），1-6.
[6] HB 7825-2007 复合材料制件无损检测对比试块制作及要求.
论文作者:冯浩1,周松蔚2[]
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：复合材料论文; 缺陷论文; 超声波论文; 低成本论文; 超声论文; 当量论文; 阶梯论文; 《科学与技术》2020年第1期论文;