馮君偉 盛 濤 汪麗麗 錢云翔 鄭金華

（1 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

（2 上海材料研究所，上海 200437）

文 摘 依據(jù)CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、成型工藝、使用環(huán)境，以有效檢測其內(nèi)部脫粘、分層、纖維斷裂缺陷為目標，設(shè)計并制作了含有典型缺陷試塊，通過試驗確定了鎖相紅外熱成像檢測的鎖相周期、鎖相頻率等檢測參數(shù)，建立了鎖相紅外熱成像檢測方法。試驗表明：該方法能夠有效的檢測并分別出CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷、分層缺陷、纖維斷裂。

0 引言

復(fù)合材料被廣泛運用，其制件內(nèi)部易存在影響其使用性能與可靠性的缺陷，對這些缺陷進行無損檢測具有非常重要的意義。

CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，表面的碳纖維網(wǎng)格面板為空心結(jié)構(gòu)，因為采用傳統(tǒng)的超聲檢測，無法避免檢測用的耦合劑流入產(chǎn)品內(nèi)部，且超聲探頭無法穩(wěn)定接觸產(chǎn)品表面，故常用的檢測方法不適合。

本文采用鎖相紅外熱成像技術(shù)對CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)品檢測，制作了相應(yīng)結(jié)構(gòu)和缺陷類型的試塊，確定了檢測系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)了缺陷的檢測。

1 鎖相紅外熱成像檢測技術(shù)

1.1 成像檢測方法

如圖1所示，使用LED陣列光源對CFRP網(wǎng)格面板進行周期性調(diào)制熱激勵。

圖1 鎖相紅外熱成像技術(shù)示意圖Fig.1 Phase-locked infrared thermal imaging technology

利用高能量脈沖光加熱產(chǎn)品表面，熱波傳播至產(chǎn)品內(nèi)部，在無缺陷區(qū)域，熱波均勻傳播，最終表面溫度均勻；在有缺陷區(qū)域，熱傳導(dǎo)被缺陷阻斷，最終表面呈現(xiàn)溫差［1］。對紅外熱像儀記錄的序列熱圖像加以處理得到振幅和相位信息圖像，其中，振幅表征了反射和入射熱波的矢量和，相位則表征了反射和入射熱波之間的相位差。鎖相紅外熱成像檢測技術(shù)（LT），受環(huán)境影響小，空間分辨率高，成像效果清晰，靈敏度較高［2］。

1.2 成像檢測系統(tǒng)

鎖相紅外熱成像檢測系統(tǒng)如圖2所示，主要由紅外熱像儀、機械傳動系統(tǒng)、鎖相控制系統(tǒng)、LED陣列光源、控制與圖像處理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)軟件功能包括圖像采集、圖像處理、運動控制和參數(shù)設(shè)置［3］。數(shù)據(jù)采用1 024點／2 048點FFT進行處理，得到振幅圖像和相位圖像。

圖2 鎖相紅外成像系統(tǒng)圖Fig.2 Phase-locked infrared thermal imaging system

2 缺陷識別及試樣制備

2.1 結(jié)構(gòu)中的缺陷類型

本文所檢測的產(chǎn)品CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包含3個部分：聚酰亞胺薄膜、碳纖維網(wǎng)格面板、鋁蜂窩芯。具體膠接方式為：首先在網(wǎng)格面板膠接面使用毛刷涂刷膠液，然后鋁蜂窩芯正面和背面粘貼網(wǎng)格面板，接著上下表面鋪不透氣脫模布和均壓板，抽真空并進固化爐幾小時；緊接著脫模，再在基板膠接面涂刷膠液，鋪貼聚酰亞胺薄膜并鋪透氣脫模布和均壓板，最后抽真空進固化爐。此種結(jié)構(gòu)的材料不僅具備碳纖維蒙皮蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的特性，還具有其他更多的優(yōu)勢，如隔熱性、絕緣性以及整體質(zhì)量更輕。此種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是衛(wèi)星太陽能電池的部件之一。

圖3 結(jié)構(gòu)及缺陷位置示意圖Fig.3 Structure and defect location diagram

碳纖維網(wǎng)格面板由碳纖維正交纏繞而成，寬度為2 mm，厚度為0.2～0.3 mm［4］。正交纏繞的粘接區(qū)域小，整體結(jié)構(gòu)相對碳纖維蒙皮質(zhì)地更輕。碳纖維網(wǎng)格面板的膠接質(zhì)量決定了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)存在3類缺陷，碳纖維網(wǎng)格面板斷裂缺陷、碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部的分層缺陷、脫粘缺陷。根據(jù)脫粘缺陷出現(xiàn)的位置不同可分為：（1）聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間脫粘，（2）碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間脫粘［5］。

2.2 試塊制備

根據(jù)產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用中可能會出現(xiàn)的三種缺陷類型，設(shè)計并制作了4塊試塊（圖4），試塊1為制作的過程中加入不同大小的聚四氟乙烯薄膜來模擬不同位置的缺陷。其余3塊試塊是在已經(jīng)成型的產(chǎn)品中切割出來的一部分，試塊2局部不涂刷膠液，模擬產(chǎn)品中的缺陷；試塊3、試塊4和試塊5根據(jù)缺陷的不同使用刀片在不同位置進行切割，讓產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷，真實模擬產(chǎn)品中的缺陷。

圖4 試塊1～試塊5Fig.4 Testing blocks

試塊1中的人工缺陷薄膜為聚四氟乙烯薄膜。在碳纖維網(wǎng)格內(nèi)部及兩側(cè)加入直徑分別為40、30、20、10 mm的缺陷各5個。自左向右，第一列為碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部加2層0.03 mm厚的薄膜；第二列為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間加2層0.03 mm厚的薄膜；第三列為鋁蜂窩與碳纖維網(wǎng)格面板的粘接面，加薄膜處不涂刷膠液，同時加2層0.03 mm厚的薄膜；第四列為碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間加2層0.03 mm厚的薄膜；第五列為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板的粘接面，加薄膜處不涂刷膠液，加2層0.03 mm厚的薄膜［6］。

試塊2為聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間的脫粘缺陷試塊，試塊3為碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部的分層缺陷試塊，試塊4為碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間的脫粘缺陷試塊，試塊5為碳纖維斷裂缺陷試塊。

3 參數(shù)選擇與結(jié)果分析

在檢測的過程中，通常先設(shè)置較高的鎖相頻率，再逐漸降低頻率，較低的頻率能夠增加材料的熱擴散長度和檢測更深的區(qū)域，增強檢測效果［7］。

3.1 鎖相頻率參數(shù)選擇

對試塊1采用鎖相周期為7個，鎖相頻率為0.5、0.3、0.1 Hz分別進行檢測，得到結(jié)果如表1和圖5所示。分析差異后選擇鎖相頻率0.3 Hz。

表1 不同鎖相頻率的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Data statistics of detection results of different phase-locked frequencies

圖5 不同鎖相頻率檢測結(jié)果Fig.5 Different phase-locked frequency detection results

3.2 鎖相周期參數(shù)選擇

對試塊1使用鎖相頻率為0.3 Hz，采用4、7、10三種不同的鎖相周期分別進行檢測，得到結(jié)果如圖6所示。得到的振幅圖（a）和相位圖（b）的檢測結(jié)果（表2）基本一致，說明鎖相周期對產(chǎn)品檢測結(jié)果影響較小。

圖6 不同鎖相周期的檢測結(jié)果Fig.6 Detection results of different phase lock cycles

表2 不同鎖相周期的檢測結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Results of different phase lock cycles

一方面保證探傷的精度和可靠性，另外一方面考慮檢測的效率，選擇鎖相周期為10時間花費大，效率低。小于3個鎖相周期，系統(tǒng)算法不能工作，因此系統(tǒng)算法要求鎖相周期不能小于3。當鎖相周期越小時，數(shù)據(jù)樣本越小，進行數(shù)據(jù)處理時，F(xiàn)FT計算精度越低。鎖相周期為4和7相比，在檢測效率滿足的情況下，盡量多的鎖相周期能夠相應(yīng)提升圖像的信噪比，達到相對較好的檢測效果。因此選擇鎖相周期為7個。

3.3 試塊檢測結(jié)果

采用鎖相紅外熱成像檢測方法，通過確定的檢測系統(tǒng)的參數(shù)對試塊2～試塊5進行成像檢測，結(jié)果由圖7可見，試塊2可以檢測出聚酰亞胺薄膜與碳纖維網(wǎng)格面板之間的脫粘缺陷，振幅圖圓圈標記的白色區(qū)域為試塊中的脫粘缺陷。試塊3可以檢測出碳纖維網(wǎng)格面板內(nèi)部的分層缺陷。相位圖圓圈標記的暗黑色的區(qū)域為分層缺陷。試塊4可以檢測出碳纖維網(wǎng)格面板與鋁蜂窩之間的脫粘缺陷。振幅圖圓圈標記的暗黑色的區(qū)域為脫粘缺陷。試塊5檢測出碳纖維斷裂缺陷。振幅圖圓圈標記的區(qū)域為缺陷的位置。

圖7 不同試塊檢測結(jié)果Fig.7 Different test block results

4 結(jié)論

通過鎖相紅外熱成像檢測方法在CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的檢測應(yīng)用，表明該方法在鎖相頻率為0.3 Hz和鎖相周期為7的條件下，能夠有效檢測出CFRP網(wǎng)格面板蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷、分層缺陷和碳纖維斷裂。