碳纤维复合材料热损伤的涡流阻抗轨迹检测

喻星星，朱 颖，曹 艳，付跃文

(1.空军航空维修技术学院，长沙 410124；2.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063)

碳纤维复合材料具有质量小、强度大、耐腐蚀、结构稳定等优异的性能,被广泛应用于航空制造业[1]。碳纤维复合材料具有一定的导电能力，但相比于金属材料，其导电能力较弱[2]，被雷击后受损严重。据统计数据显示，每架飞机每年平均遭遇两次雷击。对商业航线飞机而言，这是大概率事件。另有统计数据表明，1架飞机平均飞行3 000 h就有可能遭遇1次雷击[3]。

雷击通常造成复合材料结构出现分层、表层穿孔、烧蚀等热损伤。雷击区域呈黑色，热影响区远大于直接烧蚀区[4]。图1为民航飞机遭受雷击后，碳纤维复合材料构件部分损伤外观(损伤包括分层、向外鼓出烧蚀等，其中实际分层区面积大于雷击烧蚀区面积)。碳纤维复合材料结构遭遇雷击后，需要用敲击法或其他无损检测(NDT)方法对其热损伤进行检测，以确定热损伤导致的分层及材料性状改变的区域。该区域范围可能很大，且不易确定。

图1 飞机碳纤维复合材料结构的部分雷击损伤外观

涡流检测方法对电导率改变的测试具有很高的灵敏度[5]，同时对碳纤维复合材料的分层、厚度改变、开裂等问题也具有很好的检测效果[1]。可以采用涡流检测方法对碳纤维复合材料的热损伤进行无损检测，对其损伤程度开展评估。

1 碳纤维复合材料热损伤涡流检测原理

1.1 导电原理

渗流理论是碳纤维复合材料导电原理的主流理论，该理论认为，当碳纤维复合材料内部的碳纤维单丝含量达到某一临界值(渗滤浓度)时，材料内部的碳纤维单丝彼此相互接触，形成导电通道，且导电通道形成的概率随碳纤维含量的增加而增大，其内部的电容及电阻网络如图2所示。当外加电场足够大时,复合材料内部的电子定向移动形成电流。另一种常见的理论是隧穿理论，其认为碳纤维复合材料内部的碳纤维单丝不可能完全接触构成稳定的导电网络，而是依靠电子的隧穿效应跨越材料内部阻隔纤维之间的绝缘层来参与导电的[3,6-7]。

图2 碳纤维复合材料内部的电容及电阻网络示意

1.2 涡流检测阻抗分析

涡流检测是建立在电磁感应基础上的一种无损检测方法，适用于导电材料。碳纤维复合材料可视作由电容和电阻构成的网络结构，而这些电容和电阻与涡流检测时的涡流特性有关，当碳纤维复合材料存在热损伤时，其电容和电阻发生变化，导致其导电能力发生改变，从而影响检测线圈的阻抗。

阻抗分析法是以分析涡流效应引起的线圈阻抗与相位变化之间的关系为基础，进而鉴别各影响因素效应的一种分析方法。在常规涡流检测阻抗分析中，检测人员通常对阻抗平面图进行归一化处理。归一化后的阻抗平面图既有统一的形式，又有广泛的可比性[5]。

2 碳纤维复合材料热损伤检测系统

碳纤维复合材料热损伤检测系统主要包括涡流检测仪、碳纤维涡流阻抗测试专用探头、碳纤维复合材料热损伤试件等。

2.1 检测仪器及探头

试验使用EEC-35+型多频涡流检测仪，其具备两个独立可调的检测频率，支持自动混频，可变频率为64 Hz5 MHz，其工作原理框图如图3所示。

图3 EEC-35+型多频涡流检测仪的工作原理框图

通过检测探头可获得碳纤维复合材料的涡流检测信号，再由计算机系统实现仪器的管理、控制、计算(阻抗分析)和图形显示(阻抗图显示)功能。检测使用的涡流探头为绝对式涡流平探头，探头线圈直径为5 mm，频带为500 kHz5 MHz。

2.2 检测试样

检测试样为T300级平纹哑光的碳纤维复合材料板，尺寸(长×宽×厚，下同)为100 mm×100 mm×2 mm(4块)和100 mm×200 mm×2 mm。不同热损伤程度的碳纤维复合材料试样外观如图4所示(图中高温暴露指热损点暴露于喷射火焰下，直接暴露点直径为20 mm)。长为200 mm的碳纤维复合材料热损伤试样外观如图5所示，该试样用于研究距热损伤不同距离处的涡流阻抗，热损点在喷射火焰下暴露20 s，直接暴露点直径为20 mm。试样在喷射火焰中暴露的时间不同，将导致试样产生不同程度的分层缺陷。持续火焰烧蚀可制作穿孔等缺陷，该缺陷外观与雷击损伤有很高的相似性。

图4 不同热损伤程度的碳纤维复合材料试样外观

图5 长为200 mm的碳纤维复合材料热损伤试样外观

将超声探头分别置于完好试样以及试样3背面的中心进行检测，检测结果如图6所示。

图6 完好试样及试样3的超声检测结果

3 不同频率下热损伤试样的涡流阻抗检测

图7为不同频率下不同热损伤程度试样的涡流阻抗轨迹(横纵坐标均为相对比值，无量纲，Δω为角频率的变化量;ω为角频率;L为电感;L0为线圈在空气中的电感；R为电阻)，可见碳纤维复合材料完好试样与热损伤试样的涡流阻抗有明显差异。频率为500 kHz时,根据阻抗轨迹不能有效区分不同热损伤程度的试样。随着检测频率的升高,不同热损伤程度试样的涡流阻抗变化轨迹开始可以区分(2 MHz)；继续提高检测频率(3.333，5 MHz)，不同热损伤程度试样涡流信号的区分度进一步提高。

图7 不同频率下不同热损伤程度试样的涡流阻抗轨迹

4 距离热损伤中心不同位置处的涡流阻抗检测

对图5所示的试样进行涡流阻抗检测，检测频率分别为2，3.333，5 MHz(由第3节试验可知，频率低于2 MHz时，检测效果不佳)。试验利用有机玻璃体来调节阻抗平面图的平衡位置，分别对试样热损伤的中心，距热损伤中心10，30，60，100 mm位置进行涡流阻抗轨迹检测，检测结果如图8所示，可见，随着距热损伤中心距离的增加(热损伤程度逐渐减弱)，阻抗轨迹信号呈规律变化,且随频率的提高，距热损点不同位置阻抗轨迹的区分度提高。这一规律可用于热损伤点周围热损伤程度的判别和区域划分。

图8 不同频率下距热损伤中心不同位置处的涡流阻抗轨迹

5 结语

采用不同检测频率对完好试样和不同热损伤程度的试样进行涡流阻抗检测，发现随检测频率的升高，不同热损程度试样信号的区分度提高，说明涡流阻抗轨迹检测法可对不同的热损伤程度进行有效识别。对距离热损伤中心不同位置处的涡流阻抗轨迹进行分析，发现阻抗轨迹随距离的增大呈规律性变化。检测结果可用于碳纤维复合材料热损伤程度或者热损伤影响范围的识别，为碳纤维复合材料的修理工作提供支持。