含超材料的结构功能一体化复合材料的超声检测

超材料是由亚波长结构单元构成的人工复合电磁材料，其通过结构单元中特殊电磁模式的激发，可以实现自然材料无法实现或很难实现的独特功能。含超材料的结构功能一体化复合材料更是一种兼具了某种电磁功能与结构承载功能的新型结构。随着现代航空航天技术的发展以及武器装备的不断更新换代，含超材料的结构功能一体化制件因其独特的功能特征正逐步应用于航空航天领域。超声检测技术对于含超材料的结构功能一体件是否仍然适用，目前国内鲜有相关研究。实际生产检测中发现，相比传统复合材料，超材料会呈现出一些特殊的超声表征，石英纤维预浸料的单层厚度是碳纤维的1/2，使用常规的超声检测手段无法同时发现近表面缺陷和远表面缺陷。为此，沈阳飞机工业(集团)有限公司的技术人员采用穿透法和反射法，对某种含超材料的结构功能一体化复合材料试块进行了超声检测试验，确定了适用于零件各个工序阶段的检测方法；针对常规探头近表面分辨力与穿透性无法同时兼顾的问题，研发定制了改进型高频探头，通过检测效果对比和检测实例验证，确定了一次扫查就能可靠识别出材料内部所有缺陷的检测方法，为后续检测工作奠定基础。试验方法检测试块检测对象为含某种超材料的石英纤维层压板与碳纤维层压板黏接结构试块，采用热压罐二次固化成型。为了保证超材料与基体材料之间的强度，超材料两侧与石英纤维预浸料均使用胶膜进行黏接。试块整体厚度为3.095mm，超材料置于石英纤维层板中(约为0.46mm深度处)，石英纤维预浸料的单层理论厚度为0.09mm。试块中预埋了双层聚四氟乙烯薄膜制成的人工缺陷，缺陷直径为6mm，分别预埋在不同的深度位置上，包括石英纤维层板的上表面2~3层之间、超材料与胶膜之间、石英纤维层板的下表面2~3层之间，以及石英纤维层板与碳纤维层板之间的胶接界面、碳纤维层板的上表面2~3层间、中间层和下表面2~3层间。试块的铺层结构及人工缺陷的预埋位置如图1、图2所示。图1

试块铺层结构示意图2

试块缺陷平面位置示意检测设备与探头分别采用喷水穿透法C扫描和接触反射法A扫描两种方法对试块进行检测。超声C扫描采用NUSCAN型超声喷水穿透法C扫描检测系统；超声换能器为水浸平探头，晶片直径为19mm，频率为5MHz；喷嘴直径为6mm。反射法超声A扫描采用声纳公司制造的Masterscan700型超声波检测仪，探头晶片尺寸为0.25inch的延迟平探头，探头频率为5~15MHz。检测过程喷水穿透法使用平探头时，应使被检件处于发射探头与接收探头的有效工作区内，即近场距离前后。把水程距离调整到探头的近场距离附近，使试块位于超声波声场的最后一个声压极大值处。由于穿透法只能检测在声传播路径中相对声束而言尺寸较大的缺陷，故喷嘴直径应不大于人工缺陷的大小，以保证能够清晰显示需检出的人工缺陷。检测过程中需随时保持两探头的声束轴线与试块表面垂直。接触式反射法对缺陷的检测能力在很大程度上取决于探头的频率。频率高时，声波波长短、声束窄、扩散角小、能量集中，因而发现小缺陷的能力强，空间分辨力好，但声波在材料中的衰减随频率的增高而增大，故穿透力较低。因此，高分辨力和高穿透力对于普通延迟平探头而言很难兼得。

针对衰减率大于碳纤维的石英纤维，在选择探头频率时，若对近表面分辨力的要求较高，则势必会牺牲声波的穿透能力，因此应根据制件的厚度和空间分辨力的需求进行综合考量。试块的一侧是单层厚度为0.09mm的石英纤维层板，人工缺陷预埋在近表面2~3层间，声波需从石英纤维层板一侧入射，故近表面分辨力要求为可分辨0.18mm的ф6mm分层，根据石英纤维的高衰减率和试块整体厚度较大的客观情况，选取了5MHz和15MHz两种频率的探头进行对比分析。试验结果C扫描检测结果试块的穿透法C扫描检测结果如图3所示。由图3可见，9个缺陷均有明显显示；优区的衰减均匀，无缺陷显示。图3试块的穿透法C扫描检测结果试块C扫描人工缺陷的检测数据如表1所示，缺陷的检测尺寸均在精确尺寸的±25%以内，满足设备允许的误差范围；缺陷区与非缺陷区的平均衰减差约为10dB，可以达到评定缺陷的灵敏度标准，与常规碳纤维预浸料复合材料制件的检测结果相比，无明显差异。表1试块C扫描人工缺陷检测数据缺陷编号检测面积/mm2缺陷区与非缺陷区的平均衰减差/dB125.710.2229.910.2326.410.2432.610.2530.710.2623.210.2728.310.2831.610.2

924.810.2由此可见，穿透法C扫描能够有效检测出试块中预埋在不同深度处的人工缺陷，缺陷的显示尺寸和评定门槛值可以满足工程化检测的需求。A扫描检测结果探头在试块上按照规定的扫描路径进行扫查，使声束全部覆盖试块待检测部位。对试块的非缺陷区进行大量的A扫描检测试验，5MHz探头的波形如图4所示。图4试块非缺陷区的A扫描波形(5MHz探头)由图4可见，试块的表面回波和底面回波清晰可见，且波幅较高，两者之间对应深度的时域位置存在超材料界面波和板板黏接的胶膜波，其中超材料界面波的脉冲宽度较宽而与表面回波相连，其波幅高度略低于表面回波的波幅高度。超材料界面波达到80%FSH(满屏高度)时，底面回波达到40%FSH，且随着探头在非缺陷区的移动，超材料界面波高保持不变。当探头置于超材料与石英纤维层板之间的脱黏、石英纤维层板与碳纤维层板之间的脱黏、石英纤维层板的下表面以及碳纤维的上表面/中间层/下表面的分层缺陷(即2#~9#缺陷)上时，在时基线上对应深度的时域位置出现人工缺陷的反射回波，同时底波消失。人工缺陷的波幅高度均满足4:1的信噪比要求。由图4和脉冲反射法的原理可知，超声波能够穿透材料内部的超材料和胶膜到达试块底面并发生反射，超材料界面波波幅较高代表一部分声波被阻挡产生了较强的反射，故该超材料薄膜对于超声波具有反射性与透射性的双重特点。石英纤维层板内近表面缺陷(即1#缺陷)的A扫波形如图5所示(使用5MHz探头)，由于始脉冲宽度大，近表面分层缺陷的反射回波淹没在表面回波之中，无法有效识别。图5

试块近表面缺陷的A扫描波形(5MHz探头)使用15MHz探头对试块采用同样参数进行检测，非缺陷区和近表面分层缺陷的A扫波形如图6和图7所示。图6试块非缺陷区的A扫描波形(15MHz探头)图7试块近表面分层的A扫描波形(15MHz探头)由图6可知，15MHz探头的始脉冲宽度窄，盲区较小，表面回波与超材料界面波可从时域位置上显著区分。由于高频声波的波长较短，穿透力较差，故超材料界面波和胶膜波的波幅较低，底面回波信号微弱。当探头置于2#~9#缺陷上时，反射回波的信噪比小于2:1，缺陷不易分辨，而更窄的脉冲宽度能够有效提高探头的纵向分辨力，靠近表面的分层则更容易被识别，如图7所示。由此可见，5MHz探头可以穿透试块得到波幅稳定的底面回波并能识别出其内部的结构特征，却没有足够的分辨力识别近表面分层；15MHz探头的近表面分辨力很好但穿透力不足。为此，研发了一款改进型高频延迟平探头，以解决两者不可兼顾的问题。改进与对比分析改进的探头频率为15MHz，在不改变检测条件的情况下，其对试块的检测波形如图8和图9所示，可见其表面回波的脉冲宽度较常规5MHz探头的脉冲宽度减少了50%，近表面分层缺陷清晰可分辨。同时，改进型探头对于非缺陷区的穿透力与5MHz探头的相近，明显优于同类型的15MHz探头。图8

试块非缺陷区的A扫描波形(改进型15MHz探头)图9

试块近表面分层的A扫描波形(改进型15MHz探头)在相同的检测条件下，对改进型15MHz延迟平探头与常规5MHz和15MHz探头的检测效果分别进行了对比分析，结果如表2所示。表2各类型探头检测效果对比探头类型脉冲宽度(周数)0.18mm分辨力穿透力(相同灵敏度)信噪比改进型15MHz1.5清晰可分辨底波波幅40%≥4:15MHz2.5不可分辨底波波幅40%≥4:115MHz2.0清晰可分辨无法穿透试块＜2:1改进型15MHz探头兼具了5MHz探头的穿透力、信噪比以及15MHz探头的近表面分辨力，同时在空载脉冲周数和始脉冲宽度上优于另两个探头，具有更高的纵向分辨力。检测实例对某型号飞机结构功能一体化零件的局部含超材料区域（在装配钻孔后）进行了超声检测。该区域所用的材料、铺层和结构形式与上文所述的试块相近，即内部铺贴了超材料膜的石英纤维层板与碳纤维层板的板板胶接结构。由于零件处于装配阶段，采用接触式反射法进行A扫描检测。探头在零件上按照规定的扫描路径移动，以使声束全部覆盖零件的待检测部位。使用常规5MHz探头对该零件进行大范围的A扫描，得到的两种典型波形如图10和图11所示。图10零件A扫描的典型波形1(5MHz探头)图11零件A扫描的典型波形2(5MHz探头)典型波形1的表面回波脉冲宽度为2.5周，超材料界面波、胶膜波与底面回波相距很近，底波波幅高度约为20%FSH，在该扫描区域缓慢移动探头时，波形基本保持不变。该类波形表示零件内部无缺陷。典型波形2的表面回波清晰可见，脉冲宽度为2.5周，在表面回波之后无其他反射回波，无法从波形图中判断引起超材料界面波、胶膜波和底面回波消失的原因。该类波形表示零件的对应区域存在异常。使用改进型15HMz探头对待检测部位进行重新扫查，得到内部无缺陷区域的波形如图12所示，可见表面回波的脉冲宽度为1.5周，超材料界面波、胶膜波与底波之间有一定间距可明显区分，底波波幅高度为20%FSH。图12零件无缺陷区的A扫描波形(改进型15MHz探头)对出现典型波形2的区域，使用改进型15HMz探头扫查得到的波形如图13所示，可见在表面回波之后靠近表面回波的位置出现一处明显的反射回波，同时超材料界面波、胶膜波和底波消失。由此可以判断该区域靠近入射面近表面处存在分层缺陷，缺陷深度约为零件厚度的1/13。图13零件缺陷区的A扫描波形(改进型15MHz探头)对比改进前后探头的检测结果可知，改进型15MHz延迟平探头可以显著改善始脉冲的周数和脉冲宽度，提高近表面分辨力，同时底波波幅相同，说明其穿透力与常规5MHz探头相当，能够检测整个工件厚度范围内不同深度的缺陷。

结语(1)超声穿透法C扫描检测能够有效检测出试块中预埋在不同深度的分层和脱黏缺陷，缺陷的显示尺寸和评定门槛值能够满足制造阶段工程化检测的需求。(2)对于反射