復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)沖擊損傷超聲成像評(píng)估

劉菲菲，劉松平，郭恩明

（1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司／中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 100024；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司科技委，北京 100012）

沖擊損傷是復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)制造和服役過程中比較容易產(chǎn)生的一種缺陷。復(fù)合材料具有的各向異性和吸能的特性，易導(dǎo)致復(fù)合材料在受到外來(lái)沖擊作用后，表現(xiàn)出不同的損傷行為。工程上嚴(yán)重的沖擊損傷會(huì)直接影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的承力性能和結(jié)構(gòu)壽命［1－2］。因此，利用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行沖擊損傷的檢測(cè)和損傷行為評(píng)估，已成為近年來(lái)新興的一種檢測(cè)方法。目前，在眾多的無(wú)損檢測(cè)方法中，超聲是用于復(fù)合材料沖擊損傷檢測(cè)與評(píng)估的最為重要的方法［3－6］。筆者針對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)制備復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣，采用能量沖擊模擬方法，在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊；然后，利用高分辨脈沖超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄換能器在對(duì)含有沖擊損傷的復(fù)合材料試樣自動(dòng)掃描過程中得到的檢測(cè)信號(hào)和位置信號(hào)；在對(duì)檢測(cè)信號(hào)和位置信號(hào)的融合基礎(chǔ)上，通過超聲B 掃描成像方法揭示沖擊損傷在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)斷面的損傷分布及其擴(kuò)展規(guī)律，通過超聲T 掃描成像方式揭示沖擊損傷在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)不同鋪層深度方向的損傷面積和形態(tài)分布，從而進(jìn)行復(fù)合材料沖擊損傷的超聲成像檢測(cè)與評(píng)估。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣

復(fù)合材料試樣采用樹脂轉(zhuǎn)移成型（RTM）縫合液體成型工藝制造而成，為多向鋪層結(jié)構(gòu)；增強(qiáng)體為碳纖維，基體為雙馬樹脂，試樣厚度約6mm。采用標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)方法對(duì)試樣進(jìn)行沖擊，模擬復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)受到外來(lái)瞬時(shí)沖擊能量作用而產(chǎn)生的損傷，這也是目前國(guó)際上一種常用的復(fù)合材料沖擊損傷模擬方法。

1.2 成像方法

為了揭示復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣內(nèi)部受到的沖擊損傷及其分布規(guī)律，采用高分辨率脈沖超聲反射法，通過斷面B掃描和T 掃描成像方法進(jìn)行沖擊損傷的評(píng)估。超聲掃描成像系統(tǒng)框圖如圖1所示，其由超聲單元、信號(hào)處理單元、掃描控制、掃描機(jī)構(gòu)、成像顯示及CPU 等主要部分構(gòu)成。工作時(shí)，來(lái)自被檢測(cè)試樣中的超聲檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元數(shù)字化處理后，通過PCI總線直接送到CPU 內(nèi)存中進(jìn)行有序緩存，掃描機(jī)構(gòu)在掃描控制單元的控制下，按照CPU 預(yù)定的掃描運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)超聲換能器對(duì)被檢測(cè)試樣的掃描；同時(shí)，換能器對(duì)應(yīng)的每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的位置信號(hào)由掃描結(jié)構(gòu)與掃描單元的位置反饋環(huán)經(jīng)PCI總線實(shí)時(shí)傳送到CPU，CPU 將根據(jù)預(yù)制成像模式，對(duì)所獲得的檢測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)和超聲檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)融合，構(gòu)建成像域中坐標(biāo)位置的成像色彩，從而將超聲檢測(cè)結(jié)果以圖像方式再現(xiàn)出來(lái)。成像時(shí)，按照設(shè)定的顯示模式——B 掃描和層深T 掃描對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行成像顯示。

在超聲T 掃描成像中，當(dāng)換能器在掃描機(jī)構(gòu)的控制下，對(duì)被檢測(cè)復(fù)合材料試樣作（x，y）面掃描時(shí)，系統(tǒng)利用信號(hào)處理單元記錄超聲波沿垂直復(fù)合材料鋪層方向傳播時(shí)形成的時(shí)域回波信號(hào)，同時(shí)利用掃描控制單元記錄對(duì)應(yīng)掃描檢測(cè)點(diǎn)的位置；然后將回波信號(hào)和位置信號(hào)進(jìn)行融合重構(gòu)，以x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)，進(jìn)行成像顯示，即得到對(duì)應(yīng)試樣不同層深位置的系列超聲C 掃描圖像，實(shí)現(xiàn)沖擊損傷超聲偽層析掃描成像，這里稱為T 掃描成像，從而再現(xiàn)沖擊損傷在不同層深位置鋪層方向的分布。在超聲B掃描成像中，換能器沿被檢測(cè)復(fù)合材料試樣x或y方向進(jìn)行線掃描，信號(hào)處理單元實(shí)時(shí)記錄線掃描過程中，超聲波沿試樣厚度方向傳播形成的全部時(shí)域回波信號(hào)，然后對(duì)回波信號(hào)和線掃描行中的位置信號(hào)進(jìn)行融合重構(gòu)，以x或y為橫坐標(biāo)，以試樣厚度或聲波在試樣中的傳播時(shí)間t為縱坐標(biāo)進(jìn)行成像顯示，即得到對(duì)應(yīng)試樣不同斷面位置的系列超聲B掃描圖像，實(shí)現(xiàn)沖擊損傷斷面超聲成像檢測(cè)與評(píng)估。

圖1 超聲掃描成像系統(tǒng)框圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其沖擊損傷的特點(diǎn)，試驗(yàn)設(shè)備采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司（原北京航空制造工程研究所）自主研制的CUS－21J高分辨率超聲自動(dòng)掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)，其主要組成如圖1所示；其中換能器采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FJ系列高分辨率超聲換能器，頻率5 MHz，焦點(diǎn)直徑約0.5mm，縱向分辨率可達(dá)單個(gè)復(fù)合材料鋪層厚度（約0.13 mm）。試驗(yàn)采用專門自動(dòng)跟蹤掃描技術(shù)，使信號(hào)閘門在掃描過程中能夠根據(jù)換能器與被檢測(cè)零件表面之間的距離變化進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，從而準(zhǔn)確地獲取所設(shè)置的掃描層深信號(hào)，進(jìn)行正確的超聲成像。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2是超聲斷面B 掃描成像方法得到的一典型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)沖擊損傷區(qū)中心位置附近的超聲B 掃描成像結(jié)果，圖中斷面B 掃描圖像分為兩部分：①非沖擊損傷區(qū)——即圖中L1和L2所指示圖像區(qū)，分別對(duì)應(yīng)沖擊損傷區(qū)的兩側(cè)好區(qū)，其中F所指示的白色亮線灰度分布對(duì)應(yīng)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)表面，B所指示的白色亮線灰度分布對(duì)應(yīng)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)底面；在B掃描中，灰度越亮，表示對(duì)應(yīng)的聲波反射信號(hào)越強(qiáng)烈，顯然，聲波在層壓結(jié)構(gòu)表面的明顯反射比來(lái)自其底面的反射信號(hào)大，且F和B間的灰度分布均勻，表明在非沖擊損傷區(qū)，試樣內(nèi)部質(zhì)量均勻無(wú)缺陷，沒有形成明顯的聲波反射。②沖擊損傷區(qū)——即圖中LD所指示的圖像區(qū)，對(duì)應(yīng)沖擊所引起的損傷在試樣厚度方向疊加形成的斷面損傷區(qū)，其中Ld所指示的圖像區(qū)對(duì)應(yīng)沖擊點(diǎn)附近表面目視可見的損傷區(qū)，顯然在沖擊損傷區(qū)，出現(xiàn)了明顯不同的灰度分布規(guī)律，如圖中A1至A7所標(biāo)示的白色灰度亮線條區(qū)。

圖2 沖擊區(qū)中心位置附近的超聲B掃描成像示例

圖3是一組典型的T 掃描結(jié)果示例。對(duì)來(lái)自試樣的超聲回波信號(hào)在時(shí)域上分為5 個(gè)等間隔tw（即等厚度）進(jìn)行超聲T 掃描，圖3（a）中成像結(jié)果T1對(duì)應(yīng)試樣近表面層深位置，即T1＝2tw，S1和S2所對(duì)應(yīng)的灰度分布對(duì)應(yīng)沖擊損傷區(qū)；圖3（b）成像結(jié)果對(duì)應(yīng)T2層深位置，即T2＝3tw，圖中除了出現(xiàn)損傷S2引起的超聲陰影區(qū)外，還出現(xiàn)了新的損傷，如S3和S4所標(biāo)示的亮灰度區(qū)，其中S2與S1的位置基本相同，只是面積有所擴(kuò)展，S4則為新出現(xiàn)的損傷。

圖3（c）中成像結(jié)果對(duì)應(yīng)T3層深位置，即T3＝4tw，圖中S5所標(biāo)示的淺亮色灰度分布區(qū)為新出現(xiàn)的損傷；圖3（d）中成像結(jié)果對(duì)應(yīng)T4層深位置，即T3＝5tw，對(duì)應(yīng)試樣底面深度位置附近，圖中只能看到?jīng)_擊損傷引起的超聲陰影Su。經(jīng)實(shí)際測(cè)量聲波在復(fù)合材料試樣中的聲速約為3 130m／s。

圖3 沖擊損傷超聲T 掃描成像結(jié)果

3 討論

圖2中的超聲B 掃描成像結(jié)果，清晰地展現(xiàn)了沖擊點(diǎn)附件沿復(fù)合材料試樣厚度方向斷面的沖擊損傷及其損傷行為：

（1）復(fù)合材料受到?jīng)_擊后，首先會(huì)在沖擊作用點(diǎn)Ip近表面產(chǎn)生損傷，如圖2中A1和A5所標(biāo)示的白色短亮線灰度；隨著沖擊載荷沿試樣厚度方向傳遞，在沖擊力作用下，會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)部不同深度鋪層位置產(chǎn)生新的損傷，如圖2中A2和A6、A3、A4和A7所標(biāo)示的白色短亮線灰度，而且以沖擊點(diǎn)為中心，在試樣厚度方向呈現(xiàn)擴(kuò)散分布特征，如圖2中左側(cè)的損傷A1、A2、A3和A4所示，在試樣中呈現(xiàn)向深度和沖擊點(diǎn)（左）外側(cè)擴(kuò)展趨勢(shì)。而A5、A6和A7則呈現(xiàn)向試樣深度和沖擊點(diǎn)（右）外側(cè)擴(kuò)展態(tài)勢(shì)，這可能與沖擊能量在試樣內(nèi)部的傳遞規(guī)律有關(guān)系，由于纖維束在試樣厚度方向的縫合作用，使得試樣在受到?jīng)_擊后，沖擊能量沿鋪層方向的傳遞和擴(kuò)散受到一定的約束，竟而沿鋪層厚度方向釋放，由此產(chǎn)生不同深度的損傷。

（2）圖2中也給出了沖擊損傷在當(dāng)前斷面層深分布的量化信息。利用B 掃描成像中的縱坐標(biāo)（聲波傳播時(shí)間）和聲速即可得到每個(gè)沖擊損傷的深度量化信息，而損傷在水平方向的擴(kuò)展情況，可以直接從B掃描成像中的橫坐標(biāo)得出（圖中橫坐標(biāo)刻度的負(fù)號(hào)僅表示實(shí)際掃描的起點(diǎn)方向，沿正向掃描時(shí)坐標(biāo)值為正，沿負(fù)向掃描時(shí)坐標(biāo)值為負(fù)）。從圖2中沖擊損傷在斷面層深的分布可以看出，在沖擊點(diǎn)附近，A1、A2、A3、A4與A5、A6、A7在深度方向上有相近的位置分布特性，例如A1與A5幾乎位于同一鋪層深度位置（深度分別約為0.8，0.7mm），同樣A2與A6、A4與A7也幾乎處于相同鋪層深度位置。

（3）圖2中呈現(xiàn)出了復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣在受到?jīng)_擊時(shí)，其表面損傷與內(nèi)部損傷的迥然不同的破壞特征，可以利用Ld和LD的長(zhǎng)度來(lái)表述二者的差別。例如，在圖2中的LD（對(duì)應(yīng)試樣內(nèi)部損傷區(qū)）長(zhǎng)度約為33.8mm，而Ld（對(duì)應(yīng)試樣表面損傷區(qū)）長(zhǎng)度則約為16.5mm，顯然，LD比Ld的值大得多，沖擊引起的復(fù)合材料試樣內(nèi)部損傷比表面損傷要大得多。

（4）利用聲速與圖2中B掃描圖像縱坐標(biāo)時(shí)間的關(guān)系，還可以估算表面損傷（壓坑）的斷面深度Hi，不難得出圖2中B掃描位置的壓坑斷面深度約為0.4mm。

圖3中的超聲T 掃描成像結(jié)果，直觀地展現(xiàn)了復(fù)合材料不同深度位置的沖擊損傷及其沿鋪層方向的擴(kuò)展與損傷行為：

（1）圖3中展現(xiàn)的是試樣內(nèi)部?jī)蓚€(gè)不同層深位置的沖擊損傷沿鋪層方向的分布。在圖3（a）T1層深掃描結(jié)果中，可以清晰地看到靠近試樣沖擊點(diǎn)層深位置附近的損傷在鋪層方向的發(fā)分布與面積，如圖中白色點(diǎn)畫線所標(biāo)示的亮色灰度分布區(qū)，可以將T1中顯示的損傷區(qū)分為兩個(gè)損傷群S1和S2，其中S2分布在沖擊點(diǎn)周圍，面積較大，這與圖2 中的B掃描成像結(jié)果一致，即在沖擊點(diǎn)附近，損傷嚴(yán)重；在圖3（b）T2層掃描結(jié)果中，除了出現(xiàn)損傷S2引起的超聲陰影區(qū)外，還出現(xiàn)了新的損傷，如S3和S4所標(biāo)示的亮灰度區(qū)，其中S2與S1的位置基本相同，只是面積有所擴(kuò)展，S4則為新出現(xiàn)的損傷，其位置分布離沖擊點(diǎn)更遠(yuǎn)一些，這同樣與圖2中所呈現(xiàn)的損傷隨著深度增加向周圍擴(kuò)展的特征一致。

（2）隨著超聲T 掃描深度的增加，在圖3（c）中的T3層深掃描結(jié)果中，損傷S2引起的超聲陰影特征更加明顯，不過，在S2周圍還是能看到較弱的淺亮色灰度分布，如T3中S5所標(biāo)示的淺亮色灰度分布區(qū)所示；這表明隨著試樣深度的增加，沖擊損傷自沖擊點(diǎn)向周圍擴(kuò)展，只是隨著深度的增加，入射聲波衰減效應(yīng)明顯，換能器接收到來(lái)自損傷的信號(hào)較弱，因而其灰度顯示不如近表面損傷的灰度亮。圖3（d）中T4層深掃描成像對(duì)應(yīng)試樣底面深度位置附近，因而在T4中只能看到?jīng)_擊損傷引起的超聲陰影Su，而且是各個(gè)沖擊損傷在厚度方向的疊加面積，在圖2中也可以非常清晰地看到這種沖擊損傷引起的超聲陰影。試樣內(nèi)部沖擊損傷區(qū)實(shí)際上是T1到T4中再現(xiàn)的損傷區(qū)的疊加面積總和，如圖白色橢圓單點(diǎn)劃線所表示區(qū)域。

4 結(jié)論

基于高分辨率脈沖反射法，采用超聲B 掃描和T 掃描成像方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)內(nèi)部沖擊損傷及其損傷行為進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)和評(píng)估分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過超聲B 掃描成像方法，可以清晰地再現(xiàn)沖擊損傷在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣內(nèi)部不同斷面方向的分布、擴(kuò)展過程、損傷特征，也可以得到?jīng)_擊點(diǎn)附近試樣內(nèi)部表面損傷分布特征，而且還可以確定損傷在復(fù)合材料試樣中的深度位置、表面沖擊坑等量化信息；通過超聲T 掃描成像方法，可以得到損傷在復(fù)合材料試樣鋪層方向的分布與擴(kuò)展特征，從而進(jìn)行損傷范圍（面積）評(píng)估。超聲B掃描和T 掃描成像相結(jié)合，可從試樣厚度和鋪層兩個(gè)方向進(jìn)行復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)沖擊損傷的檢測(cè)與評(píng)估，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料沖擊損傷可視化成像的檢測(cè)與量化評(píng)估，揭示復(fù)合材料內(nèi)部的沖擊損傷行為，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了大量的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用。

［1］林智育，許希武.復(fù)合材料層板低速?zèng)_擊后剩余壓縮強(qiáng)度［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008，25（1）：140－146.

［2］程小全，康炘蒙，鄒健，等.平面編織復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊后的拉伸性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2008，25（5）：163－168.

［3］AYMERICH F，MEILI S，Ultrasonic evaluation of matrix damage in impacted composite laminates［J］.Part B：engineering，2000（31）：1－6.

［4］SMITH B T，HEYMAN J S，BUONCRISTIANI，A M et al.Correlation of the deply technique with ultrasonic imaging of impact damage in graphite－epoxy composites［J］.Materials Evaluation，1989，47（12）：1408－1416.

［5］HOSUR M V，MURTHY C R L，RAMAMURTHY T S，et al.Estimation impact－induced damage in CFRP laminates through ultrasonic imaging［J］.NDT＆E International 1998，31（5）：359－374.

［6］NAGESWARAN C，BIRD C R，TAKAHASHI R.Phased array scanning of artificial and impact damage in carbon fibre reinforced plastic（CFRP）［J］.Insight，2006，48（3）：155－159.