碳纖維復(fù)合材料沖擊損傷的激光錯(cuò)位散斑檢測

徐子鵬，韓旭，李麗娟，任姣姣，張丹丹

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

碳纖維復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、熱膨脹系數(shù)小、易于成型等諸多優(yōu)異性能，在航空航天領(lǐng)域已逐漸取代了金屬材料，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料制件在生產(chǎn)和使用過程中常常會(huì)受到?jīng)_擊，因其組份的多樣性和各項(xiàng)異性對(duì)沖擊損傷較為敏感［1］，往往在材料表面看不出明顯的傷痕，但材料內(nèi)部卻出現(xiàn)纖維斷裂、分層、脫粘等缺陷和損傷，從而嚴(yán)重影響材料的機(jī)械強(qiáng)度和密封性，造成重大的工程事故隱患。在生產(chǎn)和使用過程中快速有效地檢測出碳纖維材料沖擊損傷的存在，已成為碳纖維材料制造者和使用者的迫切需求。

激光錯(cuò)位散斑檢測技術(shù)是上世紀(jì)末隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電荷耦合器件（CCD）以及數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的表面變形的全場實(shí)時(shí)成像檢測方法，是通過測量物體表面形變從而獲得物體內(nèi)部不連續(xù)信息的一種數(shù)字光學(xué)干涉技術(shù)［2］。由于其具有非接觸、精度高、實(shí)時(shí)檢測、檢測速度快、加載方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車輪胎等行業(yè)獲得廣泛的工程應(yīng)用［3］，特別適用于復(fù)合材料制件沖擊損傷的無損檢測。本文采用激光錯(cuò)位散斑檢測技術(shù)對(duì)含有沖擊損傷的碳纖維復(fù)合材料層壓板進(jìn)行無損檢測，研究錯(cuò)位方向、錯(cuò)位量和熱加載時(shí)間對(duì)檢測結(jié)果的影響。

1 激光錯(cuò)位散斑檢測技術(shù)的檢測原理

激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)是一種共光路、自參考的干涉測量法，典型的檢測原理圖如圖1所示。激光器發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后照射到待測物體表面，其反射光通過圖像錯(cuò)位裝置形成兩束具有一定偏移量的激光束，并經(jīng)過光學(xué)成像透鏡在CCD的光敏面上形成兩個(gè)相互錯(cuò)位的像，兩個(gè)錯(cuò)位像相互干涉產(chǎn)生一個(gè)由物體表面形貌確定的散斑干涉圖，該散斑干涉圖隨著物體表面的變形而變化。

圖1 激光錯(cuò)位散斑檢測原理圖

檢測時(shí)，需要對(duì)待測物體進(jìn)行加載，物體表面將由于加載產(chǎn)生形變，加載前后的兩幅散斑干涉圖被CCD接收。由于激光散斑檢測實(shí)際上是對(duì)物體表面產(chǎn)生形變前后離面位移一階導(dǎo)數(shù)的測量［4］，因此，通過用后一幅散斑圖的光強(qiáng)減去前一幅散斑圖的光強(qiáng)的計(jì)算機(jī)處理，即可獲得一幅反映物體表面在離面方向上的位移偏導(dǎo)數(shù)干涉條紋圖。根據(jù)特征條紋即可獲得被檢物體的缺陷信息：同一干涉條紋近似為位移導(dǎo)數(shù)相同的點(diǎn)，若被測物內(nèi)部損傷，在有缺陷的部位會(huì)形成對(duì)稱的表現(xiàn)為蝴蝶斑的干涉條紋圖案［5］，如圖2所示。缺陷越靠近物體表面，膨脹變形時(shí)阻力越小，在同一時(shí)刻形變量越大，因此下方缺陷的條紋會(huì)更密一些。

圖2 缺陷位置產(chǎn)生的蝴蝶斑（位相差檢測圖）

激光錯(cuò)位檢測加載方式很多，常用的有熱加載、真空加載及壓力加載等，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料而言，適合選用熱加載的激勵(lì)方式進(jìn)行檢測［6］。所謂熱加載，就是在檢測過程中對(duì)待測物體表面進(jìn)行加熱，由于缺陷區(qū)域的熱導(dǎo)率比完好區(qū)域的熱導(dǎo)率小很多，當(dāng)熱量從物體表面向下傳導(dǎo)時(shí)，將在缺陷區(qū)域產(chǎn)生熱量堆積，形成局部高溫，進(jìn)而產(chǎn)生較大程度的熱變形，導(dǎo)致表面產(chǎn)生異常應(yīng)變。

2 檢測對(duì)象及設(shè)備

2.1 檢測對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)中的檢測對(duì)象為4塊已知存在沖擊損傷的150mm×100mm碳纖維層壓板，如圖3-4所示。圖3所示為受2J能量沖擊的1mm度厚碳纖維層壓板，由于該樣件所受沖擊能量較低，在其正面和背面均無明顯受沖擊損傷痕跡，故對(duì)其進(jìn)行雙面檢測以觀察沖擊損傷對(duì)其的影響。如圖4所示依次為受11.25J能量沖擊的2.5mm、2.76mm及3mm厚度碳纖維層壓板，由于這組樣件所受沖擊能量較高，在其背面有肉眼可以觀察到的損傷痕跡，故只對(duì)其受到?jīng)_擊的表面進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測。

圖3 1mm厚度碳纖維層壓板（2J能量沖擊）

圖42.5mm、2.76mm和3mm厚度碳纖維層壓板（11.25J能量沖擊）

2.2 檢測設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用德國Steinbichler公司的ISIS mobile 3100激光錯(cuò)位散斑檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、真空倉、錯(cuò)位散斑探頭單元（內(nèi)置于真空倉）和便攜式計(jì)算機(jī)四部分組成，激光光源為激光二極管，激光波長λ=660nm。該系統(tǒng)的測量面積為220×185mm2，相機(jī)分辨率為1392 × 1040pixel，離面位移的測量分辨率為30nm。

3 檢測過程和結(jié)果分析

3.1 檢測過程

分別對(duì)4塊已知沖擊損傷的碳纖維層壓板進(jìn)行檢測，觀察激光錯(cuò)位散斑檢測對(duì)碳纖維層壓板沖擊損傷的檢測效果。由于本次使用的檢測設(shè)備焦距固定不變，故只需對(duì)錯(cuò)位量和亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在選取適當(dāng)?shù)腻e(cuò)位量（使用經(jīng)驗(yàn)值5mm）后調(diào)節(jié)視場亮度，使錯(cuò)位成像在實(shí)時(shí)采集窗口的曝光接近（但不要達(dá)到）飽和，對(duì)樣件進(jìn)行3s的熱加載后得到相應(yīng)的檢測結(jié)果。

對(duì)受11.25J能量沖擊的2.5mm厚碳纖維層壓板進(jìn)行一系列激光錯(cuò)位散斑檢測，分析錯(cuò)位方向、錯(cuò)位量和加載時(shí)間對(duì)檢測結(jié)果的影響：首先在錯(cuò)位量和熱加載時(shí)間不變的條件下觀察水平錯(cuò)位和豎直錯(cuò)位對(duì)檢測結(jié)果的影響；然后在水平錯(cuò)位和熱加載時(shí)間一定的條件下，得到樣件在0mm、2mm、5mm、8mm和10mm錯(cuò)位量下的檢測結(jié)果；最后選定其中檢測效果最好的錯(cuò)位量，對(duì)樣件在1s、2s、3s、5s、8s、10s熱加載時(shí)間下的檢測結(jié)果進(jìn)行記錄。

3.2 檢測結(jié)果

如圖5-6所示為4塊已知沖擊損傷的碳纖維層壓板的激光散斑檢測結(jié)果。圖5中（a）、（b）分別為受2J能量沖擊的1mm厚度碳纖維層壓板的正面和背面的檢測結(jié)果，結(jié)合圖5（a）和圖5（b）可知，雖然在樣件正面（受沖擊面）檢測到的只是一個(gè)范圍較小的沖擊點(diǎn)損傷，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的纖維斷裂和分層，因此在對(duì)碳纖維層壓板進(jìn)行熱加載激光散斑無損檢測時(shí)，檢測到的缺陷無論大小都應(yīng)給予重視。

圖5 受2J能量沖擊的1mm厚度碳纖維層壓板檢測結(jié)果

圖6所示分別為受11.25J能量沖擊的2.5mm、2.76mm及3mm厚度碳纖維層壓板的檢測結(jié)果，從圖6（a）和圖6（b）中可明顯看到樣件的受沖擊點(diǎn)和樣件內(nèi)部由于沖擊產(chǎn)生的分層缺陷，而圖6（c）中的樣件由于厚度較大的原因，其受沖擊點(diǎn)在檢測結(jié)果中并不明顯，實(shí)際上在該樣件背面與受沖擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置也并無明顯的沖擊損傷痕跡，但樣件內(nèi)部由于受到能量沖擊而產(chǎn)生的分層缺陷更為嚴(yán)重。從檢測結(jié)果可知，熱加載激光散斑無損檢測技術(shù)對(duì)碳纖維層壓板的沖擊損傷具有較高的檢測靈敏度，能夠有效地檢測出樣件所含有的沖擊損傷和受沖擊位置。

圖6 受11.25J能量沖擊的不同厚度碳纖維層壓板的檢測結(jié)果

3.2.1 錯(cuò)位方向?qū)z測結(jié)果的影響

如圖7所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25能量沖擊）在保證錯(cuò)位量5mm和熱加載時(shí)間3s且其他參數(shù)不變的條件下水平錯(cuò)位和豎直錯(cuò)位的檢測結(jié)果。對(duì)比圖（a）和圖（b）可以發(fā)現(xiàn)，圖（b）中樣件左側(cè)的分層缺陷只有部分區(qū)域較為明顯，其余本是缺陷的區(qū)域變成了疑似環(huán)境噪聲產(chǎn)生，這極大程度的影響了對(duì)缺陷的范圍和程度的判定。檢測結(jié)果表明：對(duì)具有明顯縱橫比的沖擊損傷而言，若錯(cuò)位方向與其縱向一致，將對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生較為明顯的影響。實(shí)際上，由沖擊產(chǎn)生的分層缺陷因碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)異性總是會(huì)具有明顯的縱橫比，因此在檢測過程中應(yīng)加以注意，對(duì)懷疑的區(qū)域采用與本次檢測相互垂直的錯(cuò)位方向再次檢測加以證明。

圖7 不同錯(cuò)位方向的檢測結(jié)果圖

3.2.2 錯(cuò)位量大小對(duì)檢測結(jié)果的影響

如圖8所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25能量沖擊）在保證熱加載時(shí)間3s恒定且其他參數(shù)不變條件下設(shè)置不同錯(cuò)位量大小得到的檢測結(jié)果。由圖8可知，當(dāng)錯(cuò)位量大小為0mm時(shí)，缺陷的檢測靈敏度很低，嚴(yán)重影響對(duì)缺陷程度的判定；當(dāng)錯(cuò)位量大小為8mm和10mm時(shí)，缺陷圖像被分離，在判斷缺陷時(shí)易誤判成兩個(gè)缺陷，導(dǎo)致缺陷數(shù)量和缺陷范圍的誤判，甚至在缺陷較為密集時(shí)會(huì)因?yàn)槿毕葜睾显斐陕z。故在實(shí)際檢測中，錯(cuò)位量大小應(yīng)調(diào)節(jié)至與檢測到的最小缺陷的半徑到直徑之間，在保證檢測靈敏度的同時(shí)避免誤判和漏檢。

圖8 不同錯(cuò)位量大小的檢測結(jié)果圖

3.2.3 熱加載時(shí)間對(duì)檢測結(jié)果的影響

如圖9所示為2.5mm厚碳纖維層壓板（11.25J能量沖擊）在保證水平錯(cuò)位量5mm且其他參數(shù)不變條件下設(shè)置不同熱加載時(shí)間得到的檢測結(jié)果。由圖9可知，熱加載時(shí)間在3s內(nèi)時(shí)，熱加載時(shí)間越長，得到的檢測結(jié)果圖越清晰，缺陷顯示的越明顯；熱加載時(shí)間超過3s后，隨著熱加載時(shí)間的延長，得到的檢測結(jié)果圖中出現(xiàn)破碎圖像并且占據(jù)區(qū)域越來越大，導(dǎo)致圖像越來越不清晰甚至無法分辨缺陷。這是因?yàn)殡m然熱加載時(shí)間越長，樣件所含缺陷越容易被激發(fā)、樣件表位的離面位移越大，得到的缺陷越明顯，但是熱加載時(shí)間過長也會(huì)導(dǎo)致樣件溫度和其表面的空氣溫度迅速升高，致使樣件表面氣流紊亂、環(huán)境噪聲增強(qiáng)，影響散斑場的數(shù)據(jù)采集。此外，碳纖維材料導(dǎo)熱性能好，熱加載時(shí)間過長會(huì)使缺陷處和完好處受熱均勻，形變量趨近一值，導(dǎo)致缺陷不明顯。因此，在實(shí)際檢測中，應(yīng)根據(jù)樣件實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)臒峒虞d時(shí)間。

圖9 不同熱加載時(shí)間的檢測結(jié)果圖

4 結(jié)論

熱加載激光錯(cuò)位散斑無損檢測技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷具有較高的檢測靈敏度，能夠快速、有效的檢測出材料所含缺陷并確定其位置，由于其具有非接觸、高效率、外力加載小等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好的應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的無損檢測。影響其檢測結(jié)果的因素較多，錯(cuò)位方向、錯(cuò)位量大小、熱加載時(shí)間以及操作人員經(jīng)驗(yàn)等因素都會(huì)對(duì)檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，在實(shí)際檢測中，選取合適的錯(cuò)位量和熱加載時(shí)間等參數(shù)對(duì)于獲取可靠的缺陷散斑圖像具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張旭剛，張素香，程旭，等.層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的激光剪切散斑檢測［J］.無損檢測，2014，36（7）：56-59.

［2］ HUNG，Y Y.Shearography：a new optical method for strain measurement and nondestructive testing［J］.Optical Engineering，982，21（3）：391-395.

［3］ 李家偉.無損檢測手冊(cè)第2版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］ 湯劍飛，汪勇.基于激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)的復(fù)合材料無損檢測［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（1）：117-120.

［5］ 郭廣平.計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在錯(cuò)位散斑干涉法中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（11）：103-105.

［6］ 侯日立，鄭立勝.復(fù)合材料激光錯(cuò)位散斑檢測的數(shù)值模擬研究［J］.纖維復(fù)合材料，2013（3）：39-44.