復(fù)合材料孔隙超聲反射法和穿透法檢測(cè)對(duì)比分析

史俊偉,劉松平,荀國(guó)立

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司 檢測(cè)與評(píng)估研究室，北京 101300）

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（carbon-fiber reinforced polymer composites，CFRP）以其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度、輕量化、耐腐蝕性及疲勞性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，并逐步由次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展應(yīng)用到航空器的機(jī)翼、機(jī)身、垂尾等大型關(guān)鍵的主承力結(jié)構(gòu)件，是實(shí)現(xiàn)航空器的輕量化和高性能化的主要發(fā)展方向[1-2]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中會(huì)受材料體系、成型工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素的影響，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同類型的工藝缺陷；同時(shí)在服役過(guò)程中，使用環(huán)境、應(yīng)力集中和疲勞載荷等均會(huì)引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷，甚至給航空器造成災(zāi)難性的后果。可以說(shuō)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷是影響其整體性能和使用壽命的重要因素，建立可靠有效的檢測(cè)方法是促進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。

孔隙類型缺陷是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中主要的缺陷類型之一，在尺寸量級(jí)、彌散性分布及微觀形貌等特征與分層、富脂、夾雜、氣孔等常規(guī)的宏觀缺陷有著十分明顯的區(qū)別。孔隙缺陷呈現(xiàn)出兩個(gè)主要的特點(diǎn)[5]：一是其尺寸量級(jí)在10~100 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)的宏觀缺陷；二是其在材料內(nèi)部呈現(xiàn)彌散性分布特征。這兩點(diǎn)決定了復(fù)合材料中的孔隙缺陷的檢測(cè)方法應(yīng)有別于常規(guī)宏觀缺陷的檢測(cè)方法。常規(guī)宏觀缺陷要求所采用的超聲檢測(cè)方法能夠?qū)θ毕莩叽绾蜕疃鹊刃畔⒔o予定量檢測(cè)，然而，對(duì)于孔隙類型的缺陷，通過(guò)超聲檢測(cè)往往無(wú)法對(duì)單一孔隙的尺寸進(jìn)行定量檢測(cè)，逐一對(duì)孔隙缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)的成本太高，從孔隙對(duì)力學(xué)性能影響的角度來(lái)看，對(duì)彌散類孔隙缺陷整體含量的評(píng)估意義遠(yuǎn)大于對(duì)單個(gè)孔隙的過(guò)度化檢測(cè)。所以，對(duì)于孔隙缺陷的超聲檢測(cè)方法應(yīng)采用定性檢測(cè)和定量評(píng)估的方法，定性檢測(cè)是指能夠?qū)z出的疑似缺陷進(jìn)行缺陷性質(zhì)的判定，定量評(píng)估包括孔隙缺陷簇群的尺寸定量（dimension）和孔隙率（porosity）的評(píng)估定量。

超聲檢測(cè)是碳纖維復(fù)合材料孔隙率檢測(cè)的主要方法[4]，主要是基于孔隙對(duì)超聲信號(hào)的影響，提取超聲特征參數(shù)，建立特征參數(shù)與孔隙率的經(jīng)驗(yàn)公式，得到孔隙率的數(shù)值化檢測(cè)結(jié)果。受孔隙率影響的超聲特征參數(shù)包括：超聲衰減、聲阻抗、聲速、信號(hào)頻譜、非線性系數(shù)等。林莉等[6]基于孔隙會(huì)改變材料的密度和聲速的原理，建立了超聲聲阻抗Zc與孔隙率 p 的檢測(cè)模型為 Zc= 15.64p2- 354p + 4812.2；陸銘慧等[7]和Ishii等[8]通過(guò)聲速來(lái)檢測(cè)孔隙率，需要指出的是獲取聲速特征值需要測(cè)量渡越時(shí)間，而由孔隙引起渡越時(shí)間的變化在ns級(jí)，對(duì)測(cè)量?jī)x器精度的要求較高；陸銘慧等[9]針對(duì)經(jīng)典非線性系數(shù)、改進(jìn)型非線性系數(shù)以及衰減系數(shù)三個(gè)參量進(jìn)行孔隙率評(píng)價(jià)的對(duì)比研究，指出非線性系數(shù)適用于低孔隙率的碳纖維層壓板的孔隙率評(píng)價(jià)。Ki等[10]、何曉晨等[11]通過(guò)對(duì)背散射波進(jìn)行頻譜分析檢測(cè)評(píng)估孔隙率，指出背散射波高頻分量的峰值頻率隨孔隙率的增加呈指數(shù)下降。

孔隙率的檢測(cè)和表征方法主要有：超聲A-Scan、超聲C-Scan、超聲相控陣、瑞麗波以及數(shù)值化評(píng)估等。李釗等[12]基于穿透法建立了變厚度碳纖維復(fù)合材料孔隙率超聲衰減模型，Okahara等[13]采用聚焦換能器對(duì)R區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行孔隙率檢測(cè)，均指出基于平板建立的檢測(cè)模型應(yīng)用于變厚度或曲面結(jié)構(gòu)的孔隙檢測(cè)之前需要進(jìn)行修正。李樹健等[14]采用超聲相控陣C掃描方式獲取圖像，并通過(guò)灰度化和二值化處理進(jìn)行孔隙缺陷的定量表征。何方成等[15]采用超聲C-掃描成像技術(shù)對(duì)樹脂基復(fù)合材料孔隙率進(jìn)行超聲表征，探索了一種評(píng)定樹脂基復(fù)合材料孔隙率的方法。馬雯等[16]、陸銘慧等[7]分別以熱壓成型和RTM成型的玻璃纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象，基于超聲C-Scan研究了孔隙率對(duì)聲速、聲阻抗、反射系數(shù)及衰減系數(shù)等特征參數(shù)的影響，前者指出當(dāng)孔隙率在0.976%~5.268%范圍內(nèi)時(shí)，平均超聲衰減系數(shù)與孔隙率近似呈線性關(guān)系，后者則特別研究了超聲衰減系數(shù)和非線性特征參數(shù)隨孔隙率的變化規(guī)律。劉繼忠等[17]、張翔等[18]、梁向雨等[19]從孔隙形態(tài)和孔隙尺寸的角度對(duì)含孔隙的復(fù)合材料進(jìn)行模擬分析，并建立了孔隙率超聲衰減模型。Je等[20]采用同側(cè)發(fā)射-接收換能器產(chǎn)生瑞麗波進(jìn)行孔隙率檢測(cè)，指出瑞麗波對(duì)近表面材料內(nèi)部孔隙具有較高的檢測(cè)靈敏度。研究結(jié)果表明，材料的聲學(xué)特征參數(shù)可有效地表征孔隙率，且孔隙率的檢測(cè)方法與表征形式多種多樣，其中基于超聲衰減建立量化評(píng)估檢測(cè)的超聲檢測(cè)方法是準(zhǔn)確性高、易實(shí)現(xiàn)、成本低，工程化應(yīng)用最廣泛的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料孔隙率評(píng)估方法。

通過(guò)對(duì)前人研究結(jié)果的分析，本文作者發(fā)現(xiàn)大部分的研究結(jié)果是采用某一種特定的檢測(cè)方法實(shí)施復(fù)合材料孔隙率的檢測(cè)與評(píng)估，缺乏不同檢測(cè)方法之間檢測(cè)能力的橫向比較，可能會(huì)導(dǎo)致孔隙率評(píng)定結(jié)果的不一致。本工作通過(guò)工藝參數(shù)偏離的方法制備具有不同孔隙率含量的復(fù)合材料檢測(cè)對(duì)比試塊，以工程上最為廣泛采用的超聲反射法和超聲穿透法檢測(cè)孔隙率，進(jìn)行超聲A-Scan檢測(cè)與超聲C-Scan成像檢測(cè)，從孔隙缺陷的檢測(cè)分辨力、量化評(píng)估及可視化表征等多個(gè)方面，對(duì)比兩種方法對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙缺陷的定性檢測(cè)與定量評(píng)估能力。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用中模高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)M21C環(huán)氧樹脂單向帶預(yù)浸料制備孔隙率超聲檢測(cè)對(duì)比試塊，試塊為層壓板結(jié)構(gòu)，尺寸為 100 mm × 80 mm × 4 mm，采用準(zhǔn)各向鋪疊 [45/0/－ 45/90/45/0/－45/90/45/0/]s，單層厚度約為0.186 mm，共21層。試塊采用真空袋-熱壓罐固化工藝，0%孔隙率試塊采用標(biāo)準(zhǔn)固化工藝制備成型，含孔隙缺陷的試塊采用固化工藝參數(shù)（壓力、溫度、成型時(shí)間等）偏離的方法制備成型，孔隙率級(jí)差0.0%~3.0%。

對(duì)比試塊孔隙率的標(biāo)定依據(jù)《GB/T 3365—2008碳纖維增強(qiáng)塑料孔隙含量和纖維體積含量試驗(yàn)方法》，在具備典型孔隙特征的對(duì)比試塊周邊區(qū)域進(jìn)行取樣，將材料沿不同截面（0°、 ± 45°、90°）剖開，經(jīng)打磨和拋光后在金相顯微鏡下進(jìn)行拍照觀察，采用專用的金相分析軟件進(jìn)行全剖面統(tǒng)計(jì)，計(jì)算孔隙面積所占全統(tǒng)計(jì)視野面積的百分比，即采用金相顯微統(tǒng)計(jì)復(fù)合材料孔隙率對(duì)比試塊的面積孔隙率，以全覆蓋的截面觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以得到精度較高的孔隙率金相統(tǒng)計(jì)值，并以此作為試塊的孔隙標(biāo)定值。

孔隙率超聲對(duì)比試塊按主次承力結(jié)構(gòu)的驗(yàn)收等級(jí)劃分特征孔隙級(jí)差（porosity level），孔隙率（porosity）由金相觀察統(tǒng)計(jì)給出，如表1所示。

表1 孔隙率超聲檢測(cè)對(duì)比試塊Table 1 Blocks for porosity measurement

1.2 設(shè)備及參數(shù)

超聲反射法A-Scan檢測(cè)采用MUT-1數(shù)字式復(fù)合材料超聲檢測(cè)儀及FJ高分辨率寬帶窄脈沖超聲換能器。超聲換能器頻率為5 MHz，換能器晶片直徑為?30 mm，焦距為 50 mm，焦柱直徑為?0.5 mm，聚焦聲柱有效長(zhǎng)度 > 10 mm，水程可調(diào)，脈沖回波信號(hào)特性：< 1.5周，具備良好的單周特性，與所采用的檢測(cè)儀器匹配，其盲區(qū)不大于0.15 mm或單個(gè)復(fù)合材料鋪層厚度。超聲反射法C-Scan檢測(cè)采用CUS-21J水浸式檢測(cè)系統(tǒng)，底波幅值成像，掃描速率為 90 mm/s，步進(jìn)為 1 mm，增益為 68 dB，掃描范圍 100 mm × 80 mm。

超聲穿透法A-Scan檢測(cè)和C-Scan檢測(cè)均采用MUI-21噴水式檢測(cè)系統(tǒng)及高能量非聚焦脈沖超聲換能器。該超聲換能器具有穿透能力高、聲波能量大、多周、聲束非聚焦等特性，頻率為5 MHz，換能器晶片為平面晶片，晶片直徑為?16 mm，聲束擴(kuò)散 > ?16 mm，噴水耦合，水程可調(diào)。C-Scan 檢測(cè)為透射波幅值成像，掃描速率為50 mm/s，步進(jìn)為1 mm，增益為 0 dB，掃描范圍 100 mm × 80 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)超聲波在復(fù)合材料中傳播時(shí)，其聲波能量會(huì)受到聲束擴(kuò)散、吸收、反射、散射等因素的影響而產(chǎn)生衰減，復(fù)合材料介質(zhì)中出現(xiàn)不同含量的孔隙會(huì)加劇聲波在孔隙缺陷周圍的散射作用，通過(guò)建立聲波衰減量與孔隙率的量化關(guān)系可建立復(fù)合材料孔隙率超聲檢測(cè)方法。

相關(guān)研究表明[4]，聲波衰減α與孔隙率之間的關(guān)系通?？杀硎鰹椋?/p>

式中：k是關(guān)于超聲頻率f，孔隙大小d，孔隙形狀s，以及孔隙分布l的函數(shù)量；通常與孔隙率p呈線性關(guān)系。

對(duì)于聲波衰減α，通常采用超聲反射法和超聲穿透法測(cè)得，如圖1（a）和（b）所示。超聲反射法采用一個(gè)探頭兼作發(fā)射和接收換能器，入射聲波經(jīng)由復(fù)合材料檢測(cè)入射面?zhèn)鞑サ降酌?，再由底面反射回入射面，通過(guò)脈沖反射波的幅值、相位、時(shí)間渡越進(jìn)行孔隙缺陷的檢測(cè)和評(píng)估；超聲穿透法采用雙探頭分別置于在復(fù)合材料兩側(cè)，一發(fā)一收，入射聲波經(jīng)由復(fù)合材料入射側(cè)傳播到接收側(cè)，通過(guò)穿透聲波的幅值衰減進(jìn)行孔隙缺陷的檢測(cè)和評(píng)估。

根據(jù)超聲檢測(cè)結(jié)果，在孔隙率分布均勻的區(qū)域進(jìn)行4組金相取樣，取樣方向與0°纖維方向分布呈 0°、90°、+45°和–45°，如圖 2 所示。依據(jù) GB/T 3365—2008標(biāo)準(zhǔn)采用SHC-SV金相顯微鏡測(cè)定孔隙率，孔隙率p由視場(chǎng)內(nèi)孔隙總面積占觀察截面的百分比給出，計(jì)算4組金相取樣的孔隙率平均值，并在100倍視場(chǎng)內(nèi)觀察孔隙的微觀形貌特征，以驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果的有效性。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲 A-Scan 檢測(cè)結(jié)果與分析

圖1 孔隙率檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法 （a）超聲反射法；（b）超聲穿透法Fig. 1 Experimental methods for porosity measurement （a）ultrasonic pulse-echo reflection method；（b）ultrasonic throughtransmission methods

圖2 金相取樣示意圖（灰度分布圖由超聲C-Scan成像檢測(cè)給出）Fig. 2 Metallographic sampling schematic（grey-distribution image obtained by ultrasonic C-Scan test）

超聲反射法典型A-Scan檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由脈沖超聲換能器向復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)射入射聲波如①，超聲波在材料內(nèi)部傳播經(jīng)由底面反射回至入射表面形成底面回波如②，當(dāng)材料內(nèi)部出現(xiàn)孔隙缺陷時(shí)，入射聲波在孔隙缺陷周圍發(fā)生或反射或散射或透射的復(fù)雜聲學(xué)行為，缺陷所引起的反射聲波、散射聲波、透射聲波如③，并造成底波能量衰減。由圖3可見，不同的孔隙率級(jí)差與底波幅值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，可以通過(guò)底波幅值進(jìn)行孔隙缺陷含量的定量評(píng)估；孔隙缺陷的相關(guān)信息隱含在A-Scan的特征波形①~②之間，因孔隙缺陷尺寸量級(jí)在10~100 μm，換能器的參數(shù)是識(shí)別孔隙缺陷重要影響因素，通常可以從孔隙缺陷波的時(shí)域分布、幅值、相位及隨換能器移動(dòng)所表現(xiàn)出的波形響應(yīng)進(jìn)行判別。

超聲穿透法典型A-Scan檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。由發(fā)射超聲換能器向復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)射入射聲波如①，超聲波經(jīng)由材料內(nèi)部傳播（穿透）至接收端，由接收超聲換能器接收到透射波如②，當(dāng)材料內(nèi)部出現(xiàn)孔隙缺陷時(shí)，除材料本身所引起的衰減外，透射波②會(huì)因入射聲波①在孔隙缺陷周圍發(fā)生或反射或散射或透射的復(fù)雜聲學(xué)行為而造成聲波能量的損失，表現(xiàn)為透射波②幅值的降低。由圖4可見，不同的孔隙率級(jí)差與透射波幅值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，可以通過(guò)透射波幅值進(jìn)行孔隙缺陷含量的定量評(píng)估；單純從透射波的波形信息中無(wú)法判定聲波衰減來(lái)自孔隙缺陷或者其他類型的宏觀缺陷或者材料本身，故采用超聲穿透法無(wú)法進(jìn)行孔隙缺陷的定性判定和識(shí)別。

通過(guò)對(duì)比超聲反射法與超聲穿透法對(duì)孔隙缺陷的A-Scan檢測(cè)結(jié)果可知，雖然兩種方法均基于特征波的能量衰減進(jìn)行孔隙級(jí)差的數(shù)值評(píng)估，但超聲反射法明顯對(duì)孔隙缺陷更為敏感，對(duì)孔隙率的級(jí)差劃分更為細(xì)致。

以0%孔隙率對(duì)比試塊的特征波形幅值為基準(zhǔn)，計(jì)算超聲反射法與超聲穿透法對(duì)于不同級(jí)差的孔隙對(duì)比試塊的相對(duì)衰減dB值，其數(shù)學(xué)關(guān)系表述為：

式中：H0為0%孔隙率對(duì)比試塊的特征波幅值占滿屏的百分比，%；H為含孔隙缺陷的孔隙率對(duì)比試塊的特征波幅值占滿屏的百分比，%；α為相對(duì)衰減值，dB。

圖3 超聲反射法 （a）原理圖；（b）典型 A-Scan 檢測(cè)結(jié)果Fig. 3 Pulse-echo reflection method （a）schematic diagram；（b）typical A-Scan results

圖4 超聲穿透法 （a）原理圖；（b）典型 A-Scan 檢測(cè)結(jié)果Fig. 4 Through-transmission method （a）schematic diagram；（b）typical A-Scan results

分別采用兩種方法在6組孔隙率對(duì)比試塊的有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行全覆蓋的A-Scan檢測(cè)，隨機(jī)記錄10個(gè)采樣點(diǎn)處的特征波幅值，計(jì)算其特征波的平均幅值及標(biāo)準(zhǔn)差σ，計(jì)算不同級(jí)差的孔隙對(duì)比試塊的相對(duì)衰減dB值，結(jié)合金相標(biāo)定孔隙值，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。擬合得到M21C環(huán)氧樹脂單向帶預(yù)浸料復(fù)合材料層壓板制件的孔隙率衰減評(píng)估曲線，如圖5所示。單一的孔隙具有離散性和隨機(jī)性，主要體現(xiàn)在大小不一、形貌各異、隨機(jī)分布等，采用超聲反射法和超聲穿透法進(jìn)行孔隙率的定量檢測(cè)，是基于某一檢測(cè)點(diǎn)處聲柱范圍內(nèi)所有厚度的孔隙對(duì)聲波的綜合衰減效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)差可體現(xiàn)孔隙分布的均勻性。超聲反射法采用聚焦換能器，其聚焦聲柱直徑為?0.5 mm，聲柱覆蓋范圍內(nèi)孔隙數(shù)量較少，由孔隙的離散性（包括大小、位置、形貌）造成超聲相對(duì)衰減的標(biāo)準(zhǔn)差就較大，當(dāng)孔隙率增加至2.0%以上時(shí)，相對(duì)衰減的標(biāo)準(zhǔn)差降低，說(shuō)明此時(shí)有效聲柱覆蓋范圍內(nèi)孔隙尺寸增大、數(shù)量增多、分布更密集，超聲檢測(cè)結(jié)果顯得更均勻；超聲穿透法采用非聚焦換能器，聲柱 >?16 mm，有效聲柱覆蓋范圍內(nèi)孔隙數(shù)量較多，由孔隙的離散性造成超聲相對(duì)衰減的標(biāo)準(zhǔn)差較小。通過(guò)比較表2中超聲反射法和超聲穿透法的相對(duì)衰減的標(biāo)準(zhǔn)差也可說(shuō)明，超聲反射法對(duì)微小孔隙缺陷更敏感。

圖5為兩種方法測(cè)出的孔隙率衰減曲線。由圖5可見，隨著孔隙率的增加，特征波幅值相對(duì)于0%孔隙率試塊時(shí)的衰減dB值呈現(xiàn)出指數(shù)形式的增加。對(duì)兩種方法所得到的衰減曲線采用擬合公式為：

表2 兩種方法的 A-Scan 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparisons between A-Scan results of two methods

圖5 超聲反射法和超聲穿透法的孔隙率衰減曲線Fig. 5 Porosity attenuation curves for ultrasonic pulse-echoreflection and through-transmission methods

式中：α為兩種方法中特征波幅值相對(duì)0%孔隙率時(shí)的衰減，dB；α0為常量；A為強(qiáng)度；t為增長(zhǎng)幅度；p為孔隙率，%；

超聲反射法與超聲穿透法對(duì)孔隙率的指數(shù)擬合可分別表述為：

式中：αr為超聲反射法中底波幅值相對(duì)0%孔隙率時(shí)的衰減，dB；αt為超聲穿透法中透射波幅值相對(duì)0%孔隙率時(shí)的衰減，dB。

表3中對(duì)兩種檢測(cè)方法的指數(shù)擬合模型進(jìn)行評(píng)估，分別給出了3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：誤差平方和（reduced chi-sqr），決定系數(shù)（residual sum of squares）、校正決定系數(shù)（adjusted r-square）。超聲穿透法的誤差平方和較小，說(shuō)明相比于超聲反射法，超聲穿透法更服從指數(shù)擬合模型；決定系數(shù)描述輸入變量（孔隙率p）對(duì)輸出變量（相對(duì)衰減α）的相關(guān)程度，值的范圍為0~1，反射法擬合的決定系數(shù)大于1，說(shuō)明其可能是多變量線性回歸，這也印證了前文所述的聲波的衰減不僅與孔隙率有關(guān)，還與超聲頻率f，孔隙大小d，孔隙形狀s，以及孔隙分布l等多個(gè)變量相關(guān)[4]；校正決定系數(shù)在0~1范圍內(nèi)越大，說(shuō)明擬合程度越好，兩種檢測(cè)方法的校正決定系數(shù)均接近1，該指標(biāo)表明兩種方法較好地服從指數(shù)擬合模型。超聲衰減α與孔隙率p關(guān)系的研究存在多種形式的擬合模型，例如高曉進(jìn)等[21]建立了線性擬合模型α= 4.025 + 0.093p，周曉軍等[22]建立了二次擬合模型α=C1+C2p+C3p2，劉繼忠等[23]基于孔隙的形貌特征以孔隙率p= 1.5%為分界點(diǎn)進(jìn)行分段擬合。本工作采用指數(shù)擬合模型，由評(píng)價(jià)指標(biāo)可見該擬合模型具有一定的合理性，但由于超聲衰減的影響因素較多，應(yīng)采用孔隙率對(duì)比試塊修正擬合模型來(lái)實(shí)施孔隙率檢測(cè)與評(píng)估。

表3 兩種方法的指數(shù)擬合優(yōu)劣評(píng)價(jià)Table 3 Criterions of the advantages and disadvantages of the two methods of exponential fitting

2.2 超聲 C-Scan 檢測(cè)結(jié)果與分析

對(duì)6件孔隙率對(duì)比試塊實(shí)施超聲C-Scan掃描成像檢測(cè)，可以直觀地得到孔隙缺陷的分布特征及孔隙率的灰度成像表征。圖6為兩種方法超聲C-Scan檢測(cè)結(jié)果。

通過(guò)對(duì)比圖 6（a）與（b）中的 C-Scan檢測(cè)結(jié)果可知，兩種方法均可以對(duì)不同含量的孔隙缺陷進(jìn)行可視化表征，孔隙率與成像結(jié)果的灰度值具有相關(guān)性，孔隙率越高，成像結(jié)果的灰度越低，超聲反射法的C-Scan成像結(jié)果具有更高的檢測(cè)分辨率，這主要是因?yàn)槌暦瓷浞ú捎昧司劢箵Q能器，具備更高的檢測(cè)分辨率，而超聲穿透法受收-發(fā)換能器對(duì)中和單倍水程的限制，采用非聚焦換能器，其檢測(cè)分辨率較低。

超聲C-Scan成像檢測(cè)方法建立在A-Scan波形的基礎(chǔ)上，將超聲反射法中的底面回波幅值和超聲穿透法中的透射波幅值表征為灰度級(jí)差，其關(guān)系為：

式中：g為底面回波幅值或透射波幅值所對(duì)應(yīng)的灰度值；H0為0%孔隙率對(duì)比試塊的特征波幅值占滿屏的百分比，%；H為含孔隙缺陷的孔隙率對(duì)比試塊的特征波幅值占滿屏的百分比，%。

結(jié)合式（2）與式（3），則孔隙率可由成像結(jié)果灰度的明暗直觀地表現(xiàn)出來(lái)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系可表述為：

圖6 孔隙率 0%~0.5%（1），1.0%~1.5%（2），1.5%~2.0%（3），2.0%~2.5%（4），2.5~3.0%（5），2.5%~3.0%（6）對(duì)比試塊的C-Scan檢測(cè)結(jié)果 （a）基于超聲反射法；（b）基于超聲穿透法Fig. 6 C-scan results of test blocks with porosity of 0%~0.5%（1），1.0%~1.5%（2），1.5%~2.0%（3），2.0%~2.5%（4），2.5~3.0%（5），2.5%~3.0%（6） （a）ultrasonic pulse-echo reflection method；（b）ultrasonic through-transmission method

因?yàn)榭紫度毕菥哂须x散分布的特點(diǎn)，對(duì)比試塊上每點(diǎn)的孔隙率評(píng)估值在其孔隙級(jí)差范圍內(nèi)呈現(xiàn)正態(tài)分布的規(guī)律。掃查過(guò)程中由設(shè)備自動(dòng)記錄檢測(cè)點(diǎn)處的界波幅值和底波幅值，每塊樣品截取數(shù)據(jù)點(diǎn)中段的100組檢測(cè)點(diǎn)作為有效區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)，繪制其灰度值的概率密度曲線。根據(jù)式（6）所述，成像灰度值與孔隙率存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以對(duì)比試塊上每點(diǎn)的孔隙率評(píng)估值在其級(jí)差范圍內(nèi)的分布可以映射到成像灰度值在其灰度范圍內(nèi)的分布，則其分布函數(shù)可表述為：

對(duì)比試塊的孔隙率評(píng)估值近似服從正態(tài)分布的分布規(guī)律，其概率密度曲線可表述為：

式中：μ為對(duì)比試塊所有采樣點(diǎn)的孔隙率均值，%，該值通?？筛鶕?jù)金相標(biāo)定的孔隙率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；σ為對(duì)比試塊所有采樣點(diǎn)的孔隙率方差，%2，該值描述了對(duì)比試塊中孔隙率評(píng)估值的離散程度。

圖7和圖8分別為采用兩種檢測(cè)方法所得到的6件孔隙率對(duì)比試塊的孔隙率評(píng)估值的概率密度曲線?？梢?，隨著孔隙率的增加，孔隙缺陷的尺寸、位置及形貌表現(xiàn)出更大的離散性。需要指出的是，在圖7中，5#和6#試塊所表現(xiàn)出的離散性小于3#和4#試塊，這是因?yàn)橛捎诟呖紫堵仕鸪暦瓷浞ǖ穆暡ㄋp過(guò)高，導(dǎo)致其對(duì)2.0%~3.0%級(jí)差范圍內(nèi)的孔隙率評(píng)估能力不足；從圖8中可以看到，5#和6#試塊的孔隙率評(píng)估值的離散性是大于3#和4#試塊的。

圖7 基于超聲反射法的孔隙率概率分布曲線Fig. 7 Porosity probability distribution curves obtained by ultrasonic pulse-echo reflection method

圖8 基于超聲穿透法的孔隙率概率分布曲線Fig. 8 Porosity probability distribution curves obtained by ultrasonic through-transmission method

當(dāng)孔隙率級(jí)差分布在0%~2.0%之間時(shí)，超聲穿透法對(duì)于1#~3#對(duì)比試塊的孔隙率概率分布曲線幾乎重合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)該級(jí)差范圍內(nèi)的孔隙率超聲評(píng)估，而超聲反射法對(duì)于孔隙類型缺陷具有較高的分辨能力，其入射聲波對(duì)孔隙引起的衰減十分敏感，所以超聲反射法對(duì)0%~2.0%范圍內(nèi)的孔隙率級(jí)差的分辨能力要優(yōu)于超聲穿透法。當(dāng)孔隙率級(jí)差分布在2.0%~3.0%之間時(shí)，超聲反射法的反射波受孔隙缺陷的影響而幅值變低，對(duì)5#和6#對(duì)比試塊的孔隙率的概率分布曲線幾乎重合，說(shuō)明超聲反射法對(duì)于高孔隙率的復(fù)合材料層壓板的孔隙率評(píng)估能力較弱，而超聲穿透法因其透射波的聲波能量較強(qiáng)，能夠有效地穿透高孔隙率的復(fù)合材料層壓板，分辨其孔隙率級(jí)差。

2.3 金相結(jié)果與分析

孔隙類型缺陷在尺寸量級(jí)、分布位置以及微觀形貌等與分層、富脂、夾雜等常規(guī)的宏觀缺陷有著十分明顯的細(xì)觀區(qū)別。圖9為孔隙率對(duì)比試塊周邊進(jìn)行金相取樣所得到的孔隙微觀形貌觀察結(jié)果。超聲的衰減與孔隙率的增加具有相關(guān)性，由金相結(jié)果可以驗(yàn)證孔隙率超聲檢測(cè)結(jié)果的正確與否。由圖9可見，根據(jù)孔隙位置和形貌的不同，孔隙主要分為兩類：層間孔隙和層中孔隙。層間孔隙分布在鋪層間的樹脂富集區(qū)，尺寸量級(jí)為10~100 μm，當(dāng)孔隙率較低時(shí)，呈橢球形，長(zhǎng)寬比約為1，如圖9（b）所示，隨著孔隙率的增加，層間孔隙寬度方向受纖維的約束，長(zhǎng)度方向沿樹脂層生長(zhǎng)，呈扁長(zhǎng)的分層狀，如圖 9（c）~（e）所示；層中孔隙分布在鋪層中的纖維與樹脂的截面，尺寸量級(jí)為1~10 μm，當(dāng)孔隙率較低時(shí)，呈離散的點(diǎn)狀，如圖9（c）~（e）所示，隨著孔隙率的增加，層中孔隙受纖維束的約束會(huì)產(chǎn)生聚集效應(yīng)，當(dāng)金相觀察截面與纖維方向平行時(shí)，可見層中孔隙沿纖維方向生長(zhǎng)，呈柱狀，甚至形成分層，如圖9（f）所示。

圖9 不同孔隙率下孔隙的微觀形貌Fig. 9 Metallographic images of laminates with various porosity （a）p = 0.00%；（b）p = 0.82%；（c）p = 1.37%；（d）p =1.75%；（e）p = 2.33%；（f）p = 2.78%；

基于超聲衰減來(lái)評(píng)估CFRP復(fù)合材料的孔隙率是區(qū)域內(nèi)超聲檢測(cè)的數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)孔隙率評(píng)估值相近時(shí)，由于孔隙缺陷大小不一、形貌各異、隨機(jī)分布等細(xì)觀特征，單一孔隙缺陷具有隨機(jī)性，孤立的檢測(cè)孔隙缺陷（類似于檢測(cè)宏觀缺陷一樣，檢測(cè)孔隙缺陷的大小、深度等）或者只進(jìn)行孔隙率的數(shù)值評(píng)估，均會(huì)對(duì)孔隙的超聲檢測(cè)結(jié)果造成較大的誤差。例如，通過(guò)超聲衰減值測(cè)得不同的CFRP復(fù)合材料層壓板具有相近的孔隙率，但孔隙沿厚度方向分布不均勻，而密集分布的孔隙往往是CFRP復(fù)合材料性能的薄弱區(qū)域，此時(shí)采用超聲穿透法無(wú)法獲得孔隙沿厚度方向的分布信息，因此采用具有較高分辨率的超聲反射法會(huì)得到比較理想的檢測(cè)結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)采用超聲反射法和超聲穿透法對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中孔隙缺陷進(jìn)行A-Scan檢測(cè)與C-Scan檢測(cè)，對(duì)于孔隙缺陷的定性識(shí)別和對(duì)孔隙率的數(shù)值評(píng)估，兩種方法的檢測(cè)結(jié)果基本相符合，對(duì)于孔隙缺陷含量的趨勢(shì)判定相一致。

（2）超聲反射法對(duì)孔隙缺陷具備更高的檢測(cè)靈敏度，對(duì)孔隙率級(jí)差的數(shù)值評(píng)估具備更細(xì)致的劃分能力，孔隙細(xì)節(jié)方面的信息隱含在A-Scan的特征波形，為孔隙缺陷的識(shí)別提供更多的判據(jù)。

（3）超聲穿透法具備更高的聲波穿透能力（超聲C-Scan檢測(cè)中，超聲反射法對(duì)應(yīng)的增益為68 dB，而超聲穿透法對(duì)應(yīng)的增益為0 dB），適用于高孔隙率級(jí)差或大厚度或高衰減材料的復(fù)合材料制件的孔隙檢測(cè)與評(píng)估。