碳纤维复合材料表面雷达吸波涂层超声测厚方法研究

罗 文 ，张 伟 ，赫丽华 ，林 莉 ，刘平桂 ，张有为 ，王智勇

（1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2.大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116024）

0 引言

随着制导技术和探测技术的高速发展，为了提高武器装备生存能力和突防能力，世界军事发达国家在其先进武器装备上不断提升隐身结构与隐身材料的应用范围[1-3]。其中，涂覆型雷达吸波涂层由于其较好的工艺性能、能在对武器装备气动外形影响较小的情况下提升武器装备的隐身性能[4]，受到了世界各国的重视。

雷达吸波涂层的雷达反射率主要取决于材料的电磁参数、层结构和厚度等[5]。对于单层均质雷达吸波涂层，当材料的厚度等于介质波长的1/4 时，吸波性能最佳，当材料的电磁参数确定后，影响涂层吸波性能的唯一因素就是涂层厚度[6]。为了保证雷达吸波涂层的反射率达到设计指标要求，其厚度应控制在一定范围内；因此，雷达吸波涂层的厚度检测技术是保证涂层施工质量的关键技术。国内外相关学者针对雷达吸波涂层厚度的无损检测技术进行了大量研究，开发了涡流测厚技术[6]、超声测厚技术[7]与射频测厚技术[8]。目前，最成熟的雷达吸波涂层厚度无损检测技术为涡流测厚技术，但是该技术仅能测试非磁性金属基底表面雷达吸波涂层厚度，而目前先进武器装备上碳纤维等复合材料的应用比例越来越高[9]，不能利用涡流测厚法测试碳纤维等复合材料表面雷达吸波涂层厚度。

超声测厚技术中，主要有2 种信号处理方法：1）时域信号处理，该方法简单直观，但由于涂层与碳纤维等复合材料基底声阻抗接近导致回波信号弱，测厚软件容易将其识别为噪声，难以准确读取涂层上下表面回波信号的声程差；2）频域信号处理，该方法主要解决超声波在涂层中传播时间小于其脉冲宽度导致涂层上下表面回波信号发生混叠的问题，目前报道较多的是声压反射系数幅度谱分析方法，但由于碳纤维等复合材料表面的回波信号强度较低，难以准确选取谐振频率和谐振频率阶数；因此这2 种信号处理方法在测试碳纤维等复合材料表面雷达吸波涂层厚度时准确度较低。为了保证雷达吸波涂层具备一定的吸波性能，其厚度通常不低于300 μm，此时超声波在雷达吸波涂层中的传播时间大于其脉冲宽度，可以通过时域信号处理确定超声波在雷达吸波涂层中的传播时间，然后结合超声波在雷达吸波涂层中的传播速度计算雷达吸波涂层厚度。在信号处理过程中将超声信号数据绘制成二维图像，然后结合二维图像与超声信号数据分别确定超声波在吸波涂层上、下界面的时域值，计算回波声程差，最后计算吸波涂层厚度；但该数据处理方式效率低下。本研究提出一种基于理论分析结合Matlab 批量信号处理技术测量碳纤维复合材料表面雷达吸波涂层厚度的方法，在满足涂层测厚精度要求的同时，可以达到显著提升检测效率的目的。

1 原理与方法

1.1 基本原理

超声脉冲回波技术是应用最早、检测手段相对简单的一项超声检测技术，被广泛应用于各种涂层厚度的测量。已有学者开发了波形相关性算法[10]、小波变换法[11]、声压反射系数信号分析[7]等不同的超声信号处理方式，来获取涂层厚度和其他超声特征参量。其中，利用涂层上、下表面回波信号声程差和涂层材料的声速来获取涂层的厚度是最简单直观的一种方法。

利用超声脉冲回波技术测量碳纤维表面雷达吸波涂层厚度时，超声脉冲信号经超声延迟块探头发出后入射到雷达吸波涂层中，分别在雷达吸波涂层上表面与上表面各产生一个回波信号（图1），相应的超声脉冲信号时域图见图2。通过确定涂层上、下表面回波信号的位置并计算声程差，然后根据公式（1）计算涂层厚度。

图1 超声信号在各层介质中的透射与反射Fig.1 Transmission and reflection of ultrasonic signals in various layers

图2 碳纤维表面雷达吸波涂层的超声脉冲时域信号Fig.2 Ultrasonic pulse time domain signal of radar wave absorbing coating on carbon fiber surface

式中：d为涂层厚度；c为超声波在涂层中传播速度；Δt为涂层上、下表面超声脉冲回波信号声程差。

1.2 超声脉冲回波信号位置确定

根据超声脉冲信号特点，图2 中雷达吸波涂层上表面回波信号选取脉冲信号波峰位置，下面对雷达吸波涂层下表面回波信号的选取做详细分析。

超声波在两层介质界面的透射与反射强度与两层介质的声阻抗密切相关，声阻抗在数值上等于介质密度和声速的乘积，即：

式中：Z为介质声阻抗；ρ为介质密度；c为超声波在介质中传播速率。

超声测厚时，超声波在碳纤维复合材料表面雷达吸波涂层下表面声压反射系数与透射系数分别为：

式中：R为声压反射系数；T为声压透射系数；Pr,32为超声波在雷达吸波涂层下表面的反射声压；Pt,12为超声波由耦合介质透射入雷达吸波涂层的透射声压；Pt,23为超声波由雷达吸波涂层透射入碳纤维复合材料的透射声压；Z2为雷达吸波涂层声阻抗；Z3为碳纤维复合材料声阻抗。

根据超声检测基本原理，分3 种情况讨论Z2、Z3的关系对声压反射系数与透射系数的影响[12]：

1）Z3=Z2。由式（3）可得R=0，T=1。超声波没有反射，全部透射。

2）Z3＞Z2。由式（3）可得R＞0，T＞0，反射波声压与入射波声压同相位。雷达吸波涂层下表面回波信号仍选取脉冲信号波峰位置。

3）Z3＜Z2。由式（3）可得R＜0，T＞0，反射波的声压与入射波的声压相位相比改变了180°。雷达吸波涂层下表面回波信号选取脉冲信号波谷位置。

本研究中2 种雷达吸波涂层和碳纤维复合材料的声阻抗见表1，2 种雷达吸波涂层声阻抗均大于碳纤维复合材料的声阻抗；因此，2 种雷达吸波涂层下表面回波信号都选取脉冲信号波谷位置。

表1 超声测厚试样材料属性Table 1 Material properties of thickness measurement sample by ultrasonic

1.3 Matlab 脚本批处理超声时域信号

利用Matlab 脚本读取采集的超声时域信号文件并绘制二维图，利用Matlab 自带的ginput 函数分别手动确定涂层上、下表面回波信号所处时域范围，然后分别查找选定时域范围内信号强度的极大值与极小值，确定涂层上、下表面回波信号的位置并计算声程差，然后根据式（1）计算涂层厚度，并在图上标注上、下表面回波信号位置、使用的文件名称及计算的涂层厚度，将绘制的图形导出到计算机中，方便后期查看。Matlab 脚本批处理超声时域信号的流程图见图3。

图3 Matlab 脚本批处理超声时域信号的流程图Fig.3 Flow chart of batch processing of ultrasonic time-domain signal by Matlab script

2 试验过程

2.1 试样制备

试验选用的样品为利用压缩空气喷涂法制备的雷达吸波涂层，吸收剂为羰基铁粉，粘结剂主要组分为改性环氧树脂，基底为碳纤维与铝合金，利用千分尺测试基底喷涂雷达吸波涂层前厚度与喷涂后涂层与基底总厚度，两者相减得到雷达吸波涂层厚度。试验中采用2 种雷达吸波涂层，设计厚度分别为0.40、0.50 mm，分别记为A 雷达吸波涂层（RAC A）、B 雷达吸波涂层（RAC B）。由于雷达吸波涂层和铝合金的声阻抗相差较大，根据式（3）可知，超声信号在铝合金表面反射强度较高，因此利用铝合金基底表面雷达吸波涂层校准超声波在雷达吸波涂层中传播速度。超声测厚试样的材料属性见表1。

2.2 超声测厚系统与信号采集

使用USIP40 超声波探伤仪激发探头与DPO4032 数字示波器以及计算机，采集2 种雷达吸波涂层的超声信号，根据待测试的雷达吸波涂层厚度范围选择中心频率15 MHz 的延迟块探头作为超声信号的收发装置，探头晶片直径为6 mm，延迟块材料为有机玻璃，纵波声速为2330 m/s，密度为1050 kg/m3，带宽（-6 dB）为11.5～18.9 MHz，增益为+7 dB。

试验过程中先将探头耦合到铝合金基底表面雷达吸波涂层上，校准超声波在2 种雷达吸波涂层中的传播速度，然后将探头耦合到碳纤维基底表面雷达吸波涂层上，采集超声信号，并导出csv格式文件。

3 结果与分析

3.1 信号处理

图4 为利用Matlab 脚本处理的碳纤维复合材料表面A 雷达吸波涂层的超声脉冲时域信号，由于碳纤维的声阻抗小于雷达吸波涂层的声阻抗，反射波的声压与入射波的声压相位相比改变了180°；因此涂层上表面回波信号选取波峰时，下表面回波信号选取波谷。处理过程中手动确定涂层上、下表面回波信号的时域范围；因此，Matlab 脚本能准确并迅速找出涂层上下表面回波信号位置并在图中做标注，进而计算涂层厚度。

图4 Matlab 脚本处理的超声脉冲时域信号Fig.4 Ultrasonic pulse time domain signal processed by Matlab script

3.2 雷达吸波涂层超声测厚结果

利用Matlab 脚本处理超声测厚软件采集的碳纤维复合材料表面A 雷达吸波涂层、B 雷达吸波涂层的超声时域信号，并通过与千分尺测厚法得到的厚度数据进行比对（表2、表3）。A 雷达吸波涂层的Matlab 脚本计算厚度与千分尺测试的厚度绝对误差为-0.019～0.029 mm，相对误差为-4.69%～7.67%；B 雷达吸波涂层的Matlab 脚本计算厚度与千分尺测试的厚度绝对误差为-0.029～0.028 mm，相对误差为-5.92%～6.35%。由结果可以看出，由Matlab 脚本计算吸波涂层厚度可以满足工程检测要求。

表2 A 雷达吸波涂层厚度测量结果及厚度误差Table 2 Thickness measurement results and error of RAC A

表3 B 雷达吸吸波涂层厚度测量结果及厚度误差Table 3 Thickness measurement results and error of RAC B

对于Matlab 脚本计算的涂层厚度与千分尺测厚法测试的厚度值之间的差异，分析原因为：1）Matlab 脚本计算涂层厚度时使用的涂层声速是涂层试样整体平均结果，而实际上雷达吸波涂层中吸收剂存在一定粒径分布，而且不是均匀分布在粘接剂中，因此涂层声速存在一定波动，造成Matlab 脚本计算涂层厚度结果与实际值有一定偏差；2）超声探头晶片直径为6 mm，因此采集的超声信号为探头接触涂层区域内涂层的平均信号，千分尺测试的涂层厚度也是该区域内厚度的平均值，而碳纤维试板内部由于存在碳纤维的交织，表面平整度不高，这也给测试结果带来一定误差。

4 结论

1）提出一种基于理论分析结合Matlab 批量处理超声脉冲时域信号测量碳纤维复合材料表面雷达吸波涂层厚度的方法。

2）利用Matlab 脚本计算的涂层厚度与实际厚度值间最大绝对误差为0.029 mm，最大相对误差为7.67%。