碳纤维复合材料的超声特征扫描成像检测研究

廖嘉 汤路

摘 要：研究特征扫描（F扫描）超声成像检测技术；研制了复合材料的F扫描超声自动成像检测系统；利用F扫描成像系统对碳纤维复合材料及结合层及层与层胶接和修补层质量的检测进行了研究；采用聚焦探头可检测碳纤维复合材料修补中的分层脱粘等缺陷，对检测结果进行多种形式（C扫描、相位特征和CT）成像。

关键词：F扫描；层状板；聚焦换能器；声成像

中图分类号：TG115.28文献标识码：A

Abstract：F-scan ultrasonic imaging testing technology was studied.F-scan ultrasonic imaging auto-testing system for composite material was developed.Detection of carbon fiber composite material and the glued joint layer was studied using F-scan ultrasonic imaging system.Layered defects of the carbon fiber composite material and the glued joint layer could be identified with focused transducers，and testing results could be displayed by various imaging modes （C、phase feature and CT）.

Key words：F-scan；multi-layer plate；focused transducer；ultrasonic imaging

绪论

近二十年来，先进的碳纤维增强复合材料在新材料结构中异军突起，具有刚度大、强度高、重量轻、耐腐蚀等特点，[1]在工业上得到了广泛的应用，在航空、航天等工业领域中，势头更为迅猛。

碳纤维复合材料使得工业界对此复合材料的超声无损检测与评价技术提出了更高的要求，利用超声特征扫描成像检測系统对碳纤维复合材料的质量进行检测，可以充分利用了超声回波所提供的有关缺陷和材料的有用特征信息进行成像，利用计算机进行信号提取和重构并最终成像的新方法。因此，既能减少误判、漏检问题，又能实现对复合层进行自动检测，并通过把握各个特征，给出定量化结果，以直观图像形式记录，来解决工业部门生产过程中检测环节遇到的实际工程问题。

超声特征扫描成像检测方法及设备

特征扫描成像技术是20世纪80年代发展起来的新技术，是由传统的C扫描成像发展而来。超声特征扫描成像检测技术采取特征扫描的方法，利用计算机全波列采集检测信号，提取和存储许多特征，经过信号处理后，按多种特征进行成像显示，这里所说的特征是指超声波形的特征，包括超声波形的上升时间、下降时间、脉冲周期和频谱特性等。[2]

除了检测局部缺陷外，还能够对检测信号进行频谱分析、数字滤波；通过各种特征量的提取和重构，能够实现缺陷的自动识别，从而提高了定量的精度。超声特征扫描包括两方面的特征，一是超声波波型的特征，主要指超声波形上升时间、下降时间、脉冲周期和频谱特性等；二是缺陷的特征，包括缺陷的类型、形状、大小等。[2]超声特征扫描的特点是检测结果定量化，全部记录和存储检测信息，检测结果具有可识别性。

F扫描技术的关键是待测工件缺陷特征的研究、提取和确定。需要专用换能器提取复合材料检测时的波形信息，进行检测信号的全波列采集，并存储在计算机里，通过计算机完成信号的处理，并以图像方式显示各种特征参量。[2]

超声特征扫描成像系统总体框图[2]见图2-1。

3 碳纤维修补复合板的F扫描检测

试样制作：层状碳纤维复合板的厚度有厚薄不等，其人工缺陷均为聚四氟乙烯膜，其膜片分别置于胶层的上层或下层，目的是用超声特征扫描成像系统检测出其不同深度的膜与胶层的粘帖质量。

图3-1是热压罐预浸料复合板的深度像图（上图）和某一点的时域波形图（下图），在深度像图中闸门范围内不同深度用不同颜色表示，其中，有多种颜色处表示聚四氟乙烯膜的粘帖情况，不同的颜色代表不同的粘帖深度，下部的波形图表示缺陷处某点的波形，图中的框图是成像闸门的宽度和幅值，在扫描成像前，需要调节闸门到合适的高度以便于达到更好的成像效果。

但当扫描完毕后，需要重新调整闸门的高度，然后进行重新处理以便得到理想的成像效果。图3-2是热补仪预浸料复合板的深度像图（上图）和某一点的时域波形图（下图），其分析同图3-1。

4 碳纤维/钢复合板修补层的F扫描检测

对于分层缺陷，判定准则包括幅度判断、位置判断和底波判断。幅度成像时，先在时域内（深度）选取一个范围，将选取范围内出现的最大的波（缺陷波或底波）幅值按满幅的百分比赋予不同的颜色，做出幅值特征的彩色图。此检测的复合材料上下板均为碳纤维复合材料，中间的垫板为铝，厚度不等，如图4-1所示，图中直观显示出了碳纤维复合层状板A1中缺陷（垫板铝）的幅值分布及某点处的时域波形图，从成像图中可以清楚的看到三条不同宽度的垫片粘帖情况，其中幅值在80%以上表示由于缺陷的存在使得幅值下降严重，即可以推断出垫片与碳纤维复合板上下层的粘合情况。

图4-2为碳纤维复合板A2的幅度成像图及某点处的时域波形图，此碳纤维复合板其缺陷为聚四氟乙烯膜，且膜片分别置于胶层的上、下层。从图中可以清楚的看出缺陷的位置、大小和形状。

对于分层缺陷而言，由于其面积较大且垂直于超声波的传播方向，因而底波下降严重，因种种原因无法找到缺陷波时，可通过底波的幅值判断缺陷的存在。图4-3是碳纤维复合板A2的底波幅值特征图，方法是选取的成像范围仅包含底波，并给定一个阈值，超过阈值的点显示在图中。

5 层析成像

超声特征扫描成像系统还可进行层析成像。层析成像的方法：先选择层析的深度及厚度，然后调整闸门高度。图5是碳纤维复合板A2的层析图，选择的层析范围为3.4-5.9mm。在此范围内，存在图中所示的十二个缺陷，其缺陷深度可以从色标中读出。

6 结论

利用超声特征扫描成像检测系统对碳纤维复合板中的结合层质量进行了扫描成像，系统可准确地复合板内的分层缺陷，并可进行多种方式成像及层析成像，即此超声特征扫描成像检测系统可以用于企业中复合材料的日常检测工作中。

参考文献：

[1]刘松平，郭恩明.复合材料无损检测技术的现状与展望[J].航空制造技术，2001（3）：30-32.

[2]陆铭慧.复合材料层状薄板超声特征扫描成像检测.无损检测，2005，27（9）：449-453.

[3]陈以方，骆巍，陈玉宝，洪玉萍.复合材料的特征扫描声成像检测.无损检测，2001，23（10）：427-431.

[4]刘新.双金属转子复合层超声特征成像系统.无损检测，2007，29（6）：309-311.

[5]Teagle PR.The quality control and non-destructive evaluation of composite aerospace components.Composites，1983，14（4）：115.

[6]Gilmore R.S.Acoustic Microscopy from 10 to 100MHz for Industrial Application.Phil Trans R Soc Lond，1986，A320（4）：215-235.

作者简介：廖嘉（1984-），女，硕士，中级工程师，主要从事特种设备检验检测工作及研究。