无机非金属材料超声检测研究进展

邹大鹏，林奕钦,，叶国良，范中岚，张永康，曾吕明，李校智

(1. 广东工业大学机电工程学院 省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东 广州 510006;2. 东莞理工学院机械工程学院，广东 东莞 523808)

0 引 言

新型无机材料使用氧化物、氮化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经过特殊的先进工艺制成，已开发出一系列高温高强、电子、光学以及激光、铁电、压电等新型无机材料，正向着高性能化、高功能化、仿生化、智能化、轻量化、复合化、低维化等方向发展，被广泛应用于航空航天、兵器、电子、激光、红外等技术领域。与此同时，对无机非金属材料缺陷的无损检测需求越来越大，也更为迫切。超声波以不同的传播速度及衰减特性传播，从而对不同状态和不同性质的无机非金属材料实现无损检测，成为主要研究方向之一。准确获取材料的声衰减系数和声速这两个声学参数，有助于为材料性能、材料微观结构、分层特征、粘结特性和材料缺陷的检测和判断提供依据。

本文以无机非金属材料中广泛使用、潜力巨大的陶瓷材料及复合材料的超声检测研究为例，分析国内外陶瓷以及复合材料的超声检测研究现状，研究本身物理微观结构和缺陷与超声特性参数之间的关系，探讨超声检测在陶瓷和复合材料领域的技术发展方向，为推动超声无损检测的研究和发展以及对陶瓷和复合材料的检测提供借鉴。

1 超声无损检测原理与方法

无机非金属材料超声检测是利用与被测介质特性和状态有关的非声学量和描述介质声学的超声量之间存在的关系，通过获取超声检测参数来分析和反演介质的特性和状态。超声波在介质传播的强度损失主要包括[1]：1）由于声波在传播过程中不断扩展导致的扩展损失；2）由于介质存在粘滞、热传导以及其他驰豫过程引起的声强衰减的吸收损失；3）介质中非均匀性造成的声散射损失。其中，声散射与声吸收导致的声衰减主要取决于介质本身，是超声检测着重关注的影响因素。

2 陶瓷材料超声波检测研究

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、比重小等优良性能，应用前景广泛。其具有如下特征：1）脆性大，韧性很低；2）微小的缺陷易造成应力集中而导致破坏；3）在相同的工艺条件下，不同零件的强度差异很大。利用微观结构和理想力学性能的关系，建立超声声学特性参数与材料微观结构和材料性能的联系，从声学特性参数来评估材料物理特性，是陶瓷材料超声检测的基础。

2.1 基于声衰减的陶瓷物理特性超声检测研究

声衰减与陶瓷材料的密度、孔隙微观物理结构以及检测频率的关系明确。超声波散射理论证明不同频率超声波在不同微观结构和不同材料密度的陶瓷中传播具有不同的散射机理[4]。陶瓷材料声衰减与频率具有非常高的相关性[5]；并且呈现密度越大衰减越大的特性[6-7]。如表1所示，陶瓷密度是重要的参数之一，建立衰减与密度的关系模型，通过超声检测反演，可以实现制作陶瓷时预估陶瓷密度。

表1 陶瓷材料物理特性与声衰减的关系

2.2 基于声速的陶瓷材料物理特性超声检测研究

陶瓷材料物理特性与声速的关系如表2所示。其中，声速与孔隙率满足较好的线性关系。陶瓷材料在低孔隙率时，孔隙形状主要为球形且大部分相互独立，在高孔隙率时，则为圆柱形且大部分相互联系[9]，因此在低孔隙率情况下，得到的拟合曲线精度较高[10]；在高孔隙率情况下，得到的拟合曲线精度较低[11-12]，这表明孔隙形状对声速的影响不可忽略。结合Mori-Tanaka[11]理论模型，扁球形孔隙比球形孔隙对声速的影响更明显[12]。

表2 陶瓷材料物理特性与声速的关系

以上研究表明：1）基于孔隙单一物理参数的研究很多，但考虑多个物理参数与超声波速度之间关系的研究较少；2）孔隙形态的表征方法存在差异，缺乏一致的标准。

借助于高速发展的计算机模拟仿真技术，对声速与材料的各项物理参数关系进行多参数、多水平、系统性的分析，以及研究不同形状缺陷孔隙的影响特性，有助于推动全面认知各个物理量之间的相互关系和对声速的影响特性；并且通过结合日益提高的检测技术，开展仿真分析与实验测量的相互优化和验证，更好地推动高精度声速反演陶瓷材料物理特性参数在实际工程中的应用。

3 复合材料的超声波检测研究

纤维增强复合材料具有高弹性模量和高强度，广泛应用于飞机、现代车辆和轻型结构中。近年来，高效探测复合材料需求推动了超声波检测的发展，逐步建立声衰减法、声速法与复合材料各项微观物理结构参数的精确关系，推动在线监测和超声成像。

3.1 基于声衰减的碳纤维复合材料物理特性超声检测研究

由于碳纤维复合材料试样参数的多样性，推导出声衰减与碳纤维复合材料的微观物理参数的数学模型具有多种类型。其中，孔隙率被认为是影响剪切强度、弯曲强度、拉伸强度、压缩强度和弹性模量等最重要的参数之一。声衰减与孔隙率的关系通常为二次多项式，如表3所示。

表3 碳纤维复合材料复合微观物理参数与声衰减的数学计算模型

碳纤维复合材料声衰减的影响因素主要有检测频率、树脂的类型、碳纤维和孔隙的形状、大小和分布情况等[19]；在孔隙处于某个临界值时，其拟合曲线误差会发生较大变化[15-16]；由于不同复合材料有不同的衰减系数，使得临界值有所不同[22]；孔隙率＞4%时，声衰减与孔隙率的关系可简化为二次型曲线[23]，此时孔隙率和孔隙形态对声衰减起到主导作用；如果综合考虑碳纤维复合材料孔隙形状、大小与分布的因素，则能提高计算模型的精度。

表3表明基于声衰减法的复合材料检测已经有了较好的数学模型，但因模型的影响因子多，计算复杂，其准确性和应用场合有待于提高，需要简化形式，以便更实用。

因此，可以尝试参考多孔隙介质模型的简化过程，运用等效模型的方法，将多种参数等效成易于获取的孔隙率和增强纤维含量的表达形式，提出模型简单、参数少、通用性强的声衰减模型，探索简易可行模型计算、反演的检测方法，从而应用于工程实际[24]。也可以尝试采用神经网络算法、深度学习算法等，构建训练模型，建立专家库，提高超声检测预测和反演的准确性。

3.2 基于声速的碳纤维复合材料物理特性超声检测研究

碳纤维复合材料的物理特性孔隙率和增强纤维含量对声速影响较大，通常与声速呈现较好的线性关系，如表4所示。在各向同性的弹性复合材料中，当孔隙率从0升到5%时，纵波速度下降了约6%，表明纵波声速对孔隙率并不敏感[25]。当复合材料中含有树脂时，纵波速度相比横波速度变化更为敏感，这一定程度上表明正交各向异性材料对声波的传播影响存在差异[26]。

表4 碳纤维复合材料物理特性与声速的关系

广义色散关系式（K-K关系）[30]可用衰减系数计算出相应相速度，进而研究相速度的色散特性[27]。当碳纤维复合材料的孔隙率大于0.08%～0.1%时，相速度受到色散作用明显[31]。当超声波波长与孔隙是同一量级时，不但会发生色散现象，而且衰减与相速度之间存在负相关[28]。随着检测频率增大，由孔隙引起的散射干扰也会增大，因此，在借助声速检测分析技术的同时，配合其他物理性质的检测技术，弥补声速法对复合材料反映微弱的缺点，仍是一个有潜力的研究方向[32]。

4 无机非金属材料缺陷的超声检测研究

4.1 陶瓷材料缺陷的超声检测研究

在航天航空、精密机械、石油化工、国防科技等领域对陶瓷材料要求具有高可靠性、高强度、强耐磨损性及高化学稳定性等。由此，对陶瓷材料缺陷的检测非常重要。陶瓷材料缺陷超声检测是对材料声学特性和物理特性充分研究清楚的基础上，对于异常孔隙或异常杂质的研究。陶瓷材料缺陷的超声检测如表5所示。超声波无损检测可以实现微小缺陷（80～100 μm）的检测[33]，当缺陷与波长之比非常小时，缺陷表现出球面波的特性，因此能以较低频率检测微小缺陷[34]。综合考虑陶瓷材料缺陷的大小（10～60 μm）与检测频率的关系，常用检测频率为1～100 MHz[35]。在陶瓷检测应用中，超声波利用反射波检测陶瓷缺陷应满足缺陷尺寸＞检测波长＞m×平均粒径（m=2～4）的条件[36]。

表5 陶瓷材料缺陷的超声检测

陶瓷缺陷检测以检测出陶瓷材料中的缺陷改变没有缺陷时超声波正常的传播路径、方式、特性而导致的差异特征作为研究基础。目前存在主要问题为：陶瓷材料的缺陷微小，有时与正常的结构或者孔隙相当，需要较高的分辨率；同时较高的分辨率又会导致散射的加强，多途路径的波形交错，增加了分析的复杂性。虽然在低频情况下，可利用缺陷对入射波散射呈现球面波特性，通过检测缺陷散射的回波来检测缺陷的位置和大小，但散射回波信号微弱，其精度仍有待进一步研究。而且陶瓷材料中微小的缺陷与标准陶瓷的区别，以及微小缺陷在标准陶瓷中如何影响超声波的传播机理仍然是有待于深入研究的内容之一。

4.2 碳纤维复合材料缺陷的超声检测研究

碳纤维复合材料中常见的缺陷种类有孔隙、分层、夹杂、纤维弯曲、富脂或贫脂，其失效引起的缺陷通常表现为基体裂纹、纤维断裂、纤维界面结合不良和纤维缺层等。碳纤维复合材料缺陷的超声检测特性如表6与表7所示。

表6 碳纤维复合材料（CFRP）缺陷的传统超声检测特性

表7 碳纤维复合材料（CFRP）缺陷的先进超声检测特性

图1 碳纤维复合材料的微小孔隙的高频超声（50 MHz）超声C扫描结果[42]

通过以上分析，针对碳纤维复合材料采用的超声检测技术进行简要分析。以上分析表明：1）超声相控阵列检测精度高、灵活性好，但检测参数复杂、声束控制困难导致对检测对象的材料和结构的适应性较低。可以结合光追技术，人工智能识别[48-49]等计算机智能技术，基于判别不同材料和结构自适应生成合适的超声相控阵检测参数，推进相控阵技术应用和普及；2）空气耦合超声相比常规超声检测技术不需要耦合介质，缺陷判别方式简单且易于实现自动化，但空耦换能器中心频率低，横向和纵向分辨率低，所以一般采用透射法针对薄壁零件和低阻抗材料进行检测。可以研发具有较好阻抗匹配性质的空气耦合换能器提高使用范围，借鉴超声相控阵技术，开发多通道、多频率的空气耦合新方法提高空气耦合超声的效率和精度；3）激光超声具有远距离、非接触、高分辨等优点，但检测质量易受激光波长、功率、检测对象表面粗糙度，激光干涉仪灵敏度、外界环境等因素影响，同时，相比传统超声检测系统，激光超声检测系统成本较高。可以通过研制高速脉冲激光器和高灵敏度干涉仪，同时借鉴超声相控阵形成多通道多波长多频率激光超声相控阵，提高检测精度和效率。

图2 CFRP冲击损伤超声相控阵C扫描结果[44]

图3 CFRP的空气耦合激光超声对比超声相控阵C扫描结果图[46]

图4 CFRP的激光超声C扫描结果图[47]

5 结束语

现有的无机非金属超声检测方法中，声衰减法判断材料的物理微观结构参数相对有效，从宏观角度评估材料微观结构的优势明显，但因孔隙形态形成机理的复杂性以及不规则性，使得衰减法在精确评估材料孔隙特征时具有难度。声速法对微观结构的形状如孔隙形态有减弱干扰作用，使得其在判断材料物理微观结构时具备独特优势，但是要求其检测系统足够精密、检测环境干扰足够小。

随着智能轻型产品和工业自动化的发展需求，越来越多的非金属材料应用到工业和生活中，成为产品。鉴于无机非金属材料中陶瓷材料的微孔隙、碳纤维复合材料的复杂性，为了提高非金属材料的质量和性能的无损、自动、高效、准确检测，有必要推动以下声学检测应用技术研究：

1）增强仿真分析技术的推广应用，结合多物理场的仿真分析，深入分析无机非金属材料的结构、组成、属性与声学特性参数之间的关系，明晰对超声传播的影响机制，建立物理与力学参数和声学特性参数的简便关系式；

2）开发各种条件下的可控实验检测技术，基于可控参数实验分析，探寻无机非金属材料的声学特性与物理微观结构参数的表象和本质关系；

3）推动超声检测三维成像技术，结合声衰减法和声速法，无机非金属材料的结构、孔隙、缺陷等表面、内部、贴合界处等的结构超声成像，实现自动化检测与自动化识别。

4）将机器学习、深度学习和人工智能等融入超声波产品性能和缺陷检测中，实现高精度、高效率、高智能化和自动检测系统的发展。

5）推动先进超声检测包括超声相控阵列超声、空气耦合超声、激光空气耦合超声和激光超声的结合应用，实现智能标定、自动控制和轨迹规划一体化的自动化检测，基于多声束发射与接收、全聚焦等提高先进超声检测精度和效率等。