復合材料孔隙率的超聲檢測衰減系數(shù)影響因素

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(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095；2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；3.中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095)

復合材料制件在制造過程中會不可避免地產(chǎn)生孔隙[1]，制件在受力后，孔隙會進一步擴展成損傷缺陷，從而降低材料性能，孔隙的存在還可能增加水的滲入幾率或受其他環(huán)境的影響[2-3]。孔隙含量的不同對材料性能的影響程度也不同[4-6]。因此，開展孔隙缺陷的定量無損評價技術研究十分重要。無損評價結果可以用來預測帶有孔隙的復合材料制件在使用過程中可能產(chǎn)生損傷的嚴重程度，從而評估制件的使用壽命。

復合材料層合板中孔隙缺陷的評價方法較多，有超聲檢測方法[7-9]、X射線計算機層析檢測方法、紅外熱像檢測方法、激光超聲檢測方法等，其中超聲檢測方法中的幅度衰減法由于具有靈敏度高、可操作性強、實時性好等特點，在工程化檢測中得到了廣泛的應用。該方法利用的是孔隙與基體材料聲阻抗的不同，聲波在含有孔隙的材料中傳播時，會引起聲波能量的衰減，以及材料衰減系數(shù)的變化[10-11]。

衰減幅度測量的準確性關系到孔隙率評價結果的可靠程度[12]，筆者以衰減系數(shù)的測量為例，研究了檢測參數(shù)和材料本身對衰減系數(shù)的影響，由對衰減系數(shù)的影響因素分析，間接推斷出衰減幅度的影響因素。

1 玻璃板反射法檢測原理

以玻璃板反射法檢測復合材料的衰減系數(shù)，采用該方法檢測時聲傳播原理示意如圖1所示。被測試樣為碳纖維層合板，通過比較聲波未經(jīng)過復合材料層合板與經(jīng)過復合材料層合板后聲壓幅值的變化，來計算碳纖維層合板的聲衰減系數(shù)。

圖1 玻璃板反射法檢測的聲傳播原理示意

當探頭位于位置1時，發(fā)射的聲波經(jīng)玻璃板反射后直接被探頭接收，設發(fā)射的聲波強度為P0，則接收到的聲波強度用P1表示，則P1如式(1)所示。

P1=P0RWB

(1)

式中：RWB為水與玻璃板界面的聲壓反射系數(shù)。

當探頭位于位置2時，發(fā)射聲波經(jīng)過碳纖維層合板透射、玻璃板反射、碳纖維層合板二次透射后，被探頭接收，接收到的聲波強度用P2表示，則P2如式(2)所示。

P2=P0e-2αtTWTTTWRWBTWTTTW

(2)

式中：TWT為水與碳纖維層合板界面的聲壓透射系數(shù)；TTW為碳纖維層合板與水界面的聲壓透射系數(shù)；α為聲波在碳纖維層合板中的衰減系數(shù)；t為碳纖維層合板的厚度。

復合材料層合板通常很薄，只有幾個毫米左右，因此這里忽略了有無試樣情況下水與復合材料試樣衰減系數(shù)不同而存在的差異，以及聲波擴散衰減的影響。

根據(jù)式(1)，(2)可以推算出材料中的衰減系數(shù)，其表達式如式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ΔdB為有無孔隙試樣時探頭接收的回波聲壓的差值；ZT,ZW分別為聲波在碳纖維層合板和水中的聲阻抗。

將式(4)，(5)，(6)代入式(3)，則有

(7)

2 試驗過程

在衰減系數(shù)檢測系統(tǒng)中，可變的因素有檢測頻率、探頭類型、檢測水距和材料種類等。利用上述方法對這4種因素發(fā)生變化時衰減系數(shù)測量結果的變化情況進行討論。

在保持其他檢測條件不變的情況下，分別改變檢測頻率、探頭類型、檢測水距和材料種類等，測量水中的聲阻抗ZW、不同孔隙含量碳纖維層合板的聲阻抗ZT，以及檢測系統(tǒng)中放置不同孔隙率試樣與不放置孔隙率試樣時探頭接收到回波的聲壓幅度差值ΔdB并代入式(7)中，計算出不同孔隙率碳纖維復合材料層合板中的衰減系數(shù)α。

3 試驗結果及討論

3.1 檢測頻率的影響

選擇5 MHz聚焦探頭和10 MHz聚焦探頭分別測量不同孔隙含量的CCF300/5228A碳纖維層合板的衰減系數(shù)，并采用二次擬合曲線進行擬合，得到的不同頻率聚焦探頭的孔隙率與衰減系數(shù)的對應關系如圖2所示。

圖2 5 MHz與10 MHz聚焦探頭檢測衰減系數(shù)與孔隙率的對應關系曲線

由圖2可見，不同頻率探頭測量得到的衰減系數(shù)不同，5 MHz聚焦探頭的衰減系數(shù)小于10 MHz聚焦探頭的。當孔隙率較大或?qū)雍习遢^厚時，可能會出現(xiàn)高頻探頭檢測時，較大范圍的孔隙率由于衰減較大而無法分辨，因此需采用較低頻率進行檢測。

3.2 探頭類型的影響

選擇5 MHz聚焦探頭和5 MHz平探頭分別測量不同孔隙含量的CCF300/5228A碳纖維層合板的衰減系數(shù)，并采用二次擬合曲線進行擬合，得到的不同類型探頭的孔隙率與衰減系數(shù)的對應關系如圖3所示。

圖3 5 MHz聚焦探頭與5 MHz平探頭檢測衰減系數(shù)與孔隙率的關系曲線

由圖3可以看出，當孔隙率小于1%時，同頻率的聚焦探頭和平探頭的衰減系數(shù)相差不多，當孔隙率不斷增大時，同頻率平探頭的衰減系數(shù)將大于聚焦探頭的衰減系數(shù)，且差異越來越大。這可能與兩種探頭的有效聲束寬度有關，平探頭的有效聲束寬度較聚焦探頭的大，有效聲束覆蓋面積內(nèi)可能包絡的孔隙較多，因而受孔隙的影響更為明顯。

3.3 檢測水距的影響

采用5 MHz聚焦探頭，焦距為150 mm，在碳纖維層合板位于探頭6 dB聚焦區(qū)內(nèi)的前提下，調(diào)節(jié)水距，分別選擇水距為150，144，138 mm，測量不同孔隙率試樣的衰減系數(shù)，并采用二次擬合曲線進行擬合。不同水距下測量的衰減系數(shù)與孔隙率的對應關系曲線如圖4所示。

圖4 5 MHz聚焦探頭在不同水距下測量的衰減系數(shù)與孔隙率的關系曲線

由圖4可以看出，在探頭的有效聲場(聚焦探頭為6 dB聲場)范圍內(nèi)，不同水距下測量的衰減系數(shù)相差不大。這是由于雖然水距改變了，但孔隙率層合板均處于聚焦探頭的6 dB聲場范圍內(nèi)，聲束寬度變化不大。

3.4 被檢測材料的影響

采用5 MHz聚焦探頭，選擇型號為CCF300/5228A、T700/LT-03A和T700/5429的3種材料的不同孔隙率試樣，在相同的檢測參數(shù)下分別測量衰減系數(shù)，并采用二次擬合曲線進行擬合，得到的不同材料體系的孔隙率與衰減系數(shù)的關系曲線如圖5所示。

圖5 不同材料體系的孔隙率與衰減系數(shù)的關系曲線

由圖5可以看出，對不同的材料體系，采用相同方法、相同檢測參數(shù)測量得到的不同孔隙率層合板對應的衰減系數(shù)不同。因此，對不同材料進行檢測時，需要采用與其聲衰減特性相同或相似的對比試塊測量衰減系數(shù)或衰減幅度。

4 結論

(1) 檢測頻率越高，不同孔隙率復合材料層合板的衰減系數(shù)越大，檢測時可以通過合理選擇檢測頻率，使要求檢測的孔隙率范圍既能清晰分辨又有足夠的梯度顯示。

(2) 探頭類型對衰減系數(shù)有一定影響，由試驗結果看出，當孔隙率小于1%時，同頻率的聚焦探頭和平探頭的衰減系數(shù)相差不大，當孔隙率不斷增大時，同頻率的平探頭衰減系數(shù)將大于聚焦探頭的衰減系數(shù)，且差異越來越大。

(3) 當水距變化使探頭在被檢測材料中的聲場分布變化不大時(如聚焦探頭在6 dB聲場范圍內(nèi))，不同水距下測量的衰減系數(shù)相差不大。

(4) 碳纖維復合材料層合板衰減系數(shù)受自身材料體系的影響，不同材料體系的層合板不同孔隙率對應的衰減系數(shù)也不同，因此檢測時必需使用與被檢測材料聲衰減特性相同或相近的對比試塊。