复合材料蜂窝夹层结构制件的超声可视化无损检测

史俊伟，刘松平，程文礼

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

复合材料蜂窝夹层结构由于比强度高、质轻、隔音、隔热等优良性能特点，在航空航天领域得到了广泛的应用，如雷达罩、夹芯壁板、夹芯墙、储油箱、安定面、蜂窝舵面等部位［1－2］。同时，制备工艺、结构特点、设计要求、应用环境等复杂因素均会使复合材料蜂窝夹层结构在制造和服役过程中形成缺陷，需要针对其苛刻的检测要求研究专门的无损检测方法和缺陷可视化表征技术，从而实现复合材料蜂窝夹层结构的超声成像检测。

目前主机厂及一些航空研究单位针对复合材料蜂窝夹层结构的检测多采用喷水超声穿透法，但实际检测中喷水速度、喷水距离和喷水角度等工艺参数均对检测结果有较大影响［3］，北京航空材料研究院刘颖韬等人将红外线检测技术应用于蜂窝结构复合材料中人工缺陷的检测试验，取得了较好的检测效果［4］。笔者主要针对共固化工艺复合材料蜂窝夹层结构中的脱黏类型缺陷，选取接触式超声反射检测为主要技术方法，采用超声A－扫、B－扫和C－扫等多信息方法来表征复合材料蜂窝夹层结构及其脱黏缺陷，并用金相结果进行验证分析。

1 试验内容

1.1 试验对象

共固化复合材料蜂窝夹层结构检测试验件，如图1（a）所示。该试样尺寸为650mm×570mm，上下蒙皮厚度均为0.5 mm，蒙皮材料为T700／LT－03A，各4层。蜂窝夹层结构材料为NRH 芳纶纸蜂窝，蜂窝格边长为2mm，蜂窝壁厚为0.05mm，采用共固化工艺方式，即蒙皮面板与蜂窝胶接同时固化成型，通过厚度为0.15mm 的胶层与上下蒙皮黏接，如图1（c）所示。要特别指出的是，由于采用共固化工艺，由外压水平分力与芯材内压等因素的作用，蜂窝芯材四边向其中间部位形成塌陷变形（Core Crush），如图1（b）所示。

图1 共固化复合材料蜂窝夹层检测试验件结构及尺寸

1.2 检测特征

根据复合材料蜂窝检测试样的结构特征与成型工艺以及检测要求，分析该复合材料蜂窝夹层结构的特点和检测难点，具体如表1所示。

表1 复合材料蜂窝夹层结构的特点和检测难点

2 试验方法

2.1 超声A－Scan检测方法

基于水膜耦合的超声反射法，结合人工扫查方式对复合材料蜂窝夹层结构进行全覆盖超声AScan检测，记录典型蜂窝夹层结构的超声A－Scan典型特征波形。试验装置为FCC－D 复合材料超声检测仪；换能器为聚焦超声换能器（5MHz）；耦合条件为水膜耦合。

2.2 超声C－Scan检测方法

采用水浸耦合的C－Scan成像检测方法，设置相应的成像闸门与扫描参数，对复合材料蜂窝夹层结构试样进行成像检测，记录典型结构的成像表征规律和可能存在缺陷类型的成像特征。试验装置为CUS－21复合材料超声成像检测系统；换能器为聚焦超声换能器（5 MHz）；耦合条件为水浸耦合。

2.3 超声B－Scan检测方法

采用水浸耦合方式，对复合材料蜂窝夹层结构试样沿厚度方向进行成像检测，记录蜂窝夹层结构沿厚度方向的检测程序结果并进行分析。试验装置为CUS－21复合材料超声成像检测系统；换能器为聚焦超声换能器（5 MHz）；耦合条件为水浸耦合。

3 典型的试验结果与分析

3.1 超声A－Scan检测结果与分析

图2为针对复合材料蜂窝夹层结构试样的典型超声A－Scan检测结果，采用人工扫查方式，针对复合材料蜂窝夹层结构的四处特征区域，如图2（a）所示。

区域①为换能器位于蜂窝壁正上方，由于没有反射界面的存在，入射声波沿蜂窝壁一直向下传递，故图2（b）中只有界波信号“F”而没有回波信号出现，另外由于蜂窝壁壁宽较窄（0.05mm），随换能器的扫查移动，该特征波形经过蜂窝壁正上方的时域延续很短暂，该特征波形往往稍纵即逝。区域②为换能器位于蜂窝格正上方，入射声波经过蒙皮与胶层在胶层与空气的界面处反射，故图2（c）中出现高峰值的反射回波信号“B”以及其二次回波信号“B2”。区域③为换能器位于胶层的“胶瘤”区域正上方，由于胶层与空气形成的反射界面与入射声波方向角度关系复杂且通常不垂直，入射声波在该界面形成的反射回波不能回到换能器，故通常没有反射回波信号出现，另一方面，胶层的声学特征类似于富脂，而富脂的超声A－Scan特征波形往往呈现“W”型规律，如图2（d）中圆圈标示。对比图2中的（c）、（d）、（e），区域②与区域④由于反射界面的存在，故可以观察到反射界面（区域②中为胶层与空气界面，区域③中为复合材料蒙皮与空气界面）的二次回波信号，而区域③中类似富脂的胶层，由于“胶瘤”现象造成实际工艺下胶层状态复杂，通常不存在二次回波信号。区域④为复合材料蜂窝夹层结构中可能出现的脱黏类型缺陷，脱黏类型缺陷会使层压板与蜂窝壁的界面之间出现气隙，入射声波会在该界面形成反射回波信号，相比区域②中的回波信号“B”，脱黏缺陷回波信号“D”在时域上与界波“F”的距离SD略小于底面回波信号“B”与界波“F”的距离SB，两者的距离差为胶层的厚度。

图2所示的典型区域特征A－Scan波形相对比较明显，但在实际检测中，由于复合材料蜂窝夹层结构幅值、网格尺寸较小数量大且存在“胶瘤”现象引起的胶层状态复杂，对区域②③④的A－Scan波形往往分辨难度较大，通过观察图2分析可知，蜂窝网格A－Scan检测波形特征的判据因素包括：一次回波是否存在、一次回波幅值、二次回波是否存在、回波波形特征、时域位置等。因而在人工手动进行超声A－Scan检测时，检测难度大，缺陷表征、记录以及传递不方便，且容易造成漏检。

图2 典型的超声A－Scan检测波形

3.2 超声C－Scan成像检测结果与分析

首先采用接触式超声C－Scan成像检测技术对复合材料蜂窝夹层结构中的预制人工缺陷进行成像检测，检测试样预埋单层厚度为0.1mm 的聚四氟乙烯薄膜模拟脱黏缺陷，直径分别为φ3 mm、φ5mm和φ9mm，检测结果如图3所示，其预制的人工缺陷及蜂窝格结构清晰可见，这说明所采用的接触式超声C－Scan成像检测技术对复合材料蜂窝夹层结构具有很强的检测能力。

图3 预制人工缺陷的超声成像检测结果

人工缺陷与实际缺陷存在的差别会造成缺陷识别困难，此时结合A－Scan波形采用不同的成像闸门进行多次成像检测。图4为采用水浸耦合超声C－Scan检测的典型成像结果，成像闸门设置分别如图4（a），（b）所示。图4（c）设置成像闸门对蜂窝与复合材料蒙皮的胶接结构进行C－Scan 成像，图4（d）设置成像闸门对蜂窝网格结构进行C－Scan成像。图4（d）中灰度高的区域为蜂窝网格内部，灰度低的区域为蜂窝壁及蜂窝壁旁的“胶瘤”部分。

由3.1节中对于超声A－Scan波形信号的分析，对蜂窝网格进行C－Scan成像，因为胶层回波与“胶瘤”区域波形出现的时域位置与蜂窝网格一次回波的时域位置相近，在蜂窝网格一次回波的时域位置设置成像闸门容易受到胶层回波与“胶瘤”区域波形的干扰，影响成像质量；另一方面，由于类富脂的胶层区域不会出现二次回波，故设置成像闸门以二次回波的峰值的时域位置进行成像效果较好。

图4 典型的超声C－Scan检测结果

为得到良好的可视化效果，针对超声C－Scan二维成像检测结果（局部）进行数值处理形成3D 成像，如图5所示。由3D 后处理结果可以较清晰的看到蜂窝网格的结构分布，椭圆线所示区域疑似蜂窝脱黏。对疑似蜂窝脱黏区域进行金相取样在100倍光学金相观察验证分析，同时对比良好区域的金相图像，好区结果如图6（a）所示，疑似脱黏区域结果如图6（b）所示。

图5 蜂窝网格结构超声C－Scan成像3D 后处理结果

图6 蜂窝不同区域微观形貌对比

3.3 超声B－Scan成像检测结果与分析

图7水浸耦合超声B－Scan检测的典型成像结果，扫描6次，扫描路径由图中虚线所示①～⑥，由超声B－Scan检测结果中的灰度分布可以清晰的看到蜂窝网格的成像规律。同时，由于扫描路径与蜂窝格排列方向存在一定夹角，当换能器位于蜂窝格上方移动，如路径①的A 段，则成像结果中出现蜂窝格的灰度图像，当换能器位于蜂窝壁上方移动，如路径④的B 段，则成像结果中不会出现蜂窝格的灰度图像。由图中可见，随着设定一定的步进量，对复合材料蜂窝夹层结构试样进行超声B－Scan进行扫描检测，可以得到复合材料蜂窝夹层结构试样沿厚度方向的结构分布特征。

图8为声B－Scan成像检测结果与A－Scan检测波形的联合分析，图中“F”标示出来自蜂窝蒙皮外侧的界波所形成的灰度图像，“B”与“B2”分别标示出来自蜂窝格处的一次反射回波与二次反射回波所形成的灰度图像。

由超声B－Scan成像结果进行厚度的计算分析，见公式（1）、（2）：

图7 复合材料蜂窝网格超声扫描B－Scan成像检测结果

图8 扫描超声B－Scan成像检测结果与分析

式中：S为由超声B－Scan成像检测结果所计算得到的蒙皮与胶层的距离之和，即“F”与“B”之间的距离；v为声速，蒙 皮材料为T700／LT－03A，测声速v＝3 100m／s；t为渡越时间，即入射声波进入蒙皮，经过蒙皮与胶层至蜂窝格处反射至换能器的时间，由B－Scan检测图像，取t＝0.44μs；S′为蒙皮与胶层的理论厚度；S1为蒙皮理论厚度，取S1＝0.50mm；S2为胶层理论厚度，取S2＝0.15mm。

由超声B－Scan成像结果进行蜂窝网格的计算分析，见公式（3）：

式中：I为由超声B－Scan成像检测结果所计算得到的相邻蜂窝格的间距；L为为减小误差，测量连续10个相邻蜂窝格的距离。

I′为相邻蜂窝格的理论距离，I′为3.46mm。

由上述计算分析可见，由于实际工艺中胶层厚度会存在微小的变化造成实测值出现微小的偏差，采用超声B－Scan 成像检测结果所得到的厚度信息S（0.628mm）与实际理论厚度S′（0.65mm）基本一致，同时蜂窝网格间距计算值I＝3.4mm 与实际理论间距I′＝3.46mm 基本一致，超声B－Scan成像检测结果具有很高的检测灵敏度和准确的成像精度，可以定量的得到复合材料蜂窝夹层结构的信息。

4 结语

（1）接触式超声反射检测方法可以检出复合材料蜂窝夹层结构中的直径为3、5、9mm 的脱黏类人工预制缺陷。

（2）对于复合材料蜂窝夹层结构的实际缺陷，应用接触式超声反射检测法建立可以相互印证的多维多信息的可视化表征，并通过金相验证了接触式超声反射检测方法对于实际脱黏缺陷的检测能力。

（3）该超声检测方法在复合材料蜂窝夹层结构的工艺研究、结构制造和产品服役检测等领域具有广泛的应用前景。

［1］郑义珠，顾轶卓，孙志杰，等.Nomex蜂窝夹层结构真空袋固化过程蜂窝变形［J］.复合材料学报，2009，26（4）：29－35.

［2］ZENG S，SEFENS JC，AHN KJ，et al.Node test panel for processing and characterization studies of honeycomb composite structures［J］.Journal of Advanced Materials，1994，25（2）：9－21.

［3］王柄方，韩赞东，原可义，等.复合材料喷水超声检测工艺［J］.无损检测，2010，32（8）：616－619.

［4］刘颖韬，郭广平，温磊，等.红外热像检测技术应用于蜂窝结构复合材料的检测能力评价［J］.无损检测，2011，33（12）：81－85.

［5］原崇新，李敏，顾轶卓.蜂窝夹层结构真空袋共固化工艺过程实质研究［J］.复合材料学报，2008，25（2）：57－62.