工業(yè)CT技術(shù)在C/C復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用

張翠翠，潘蘭，孟妙，陳曦，劉少麗

(西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

0 引言

C/C復(fù)合材料兼有碳的惰性和碳纖維的高強度，具有質(zhì)輕、比強度和比彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小、導熱率低等優(yōu)異性能，是世界各國空天戰(zhàn)略急需的空天飛行器熱防護系統(tǒng)和高性能航空發(fā)動機熱端部件的重要候選材料。由于難以對其制備過程中各項工藝參數(shù)進行精確控制，導致其質(zhì)量的不穩(wěn)定，缺陷的存在不可避免。但又因其具有較高的制備成本以及重要的使用領(lǐng)域，所以在其制備和使用過程中對其進行無損檢測，及時掌握其中可能存在的缺陷，對制備工藝的優(yōu)化、使用性能的檢測尤為重要[1]。

1 C/C復(fù)合材料常見缺陷和無損檢測方法對比

1.1 C/C復(fù)合材料常見缺陷

預(yù)制體是C/C復(fù)合材料最基本的增強結(jié)構(gòu)體，是極其重要的原材料，決定著C/C復(fù)合材料的性能，孫樂等[2]在C/C復(fù)合材料預(yù)制體的研究進展中提出為了進一步提高我國C/C復(fù)合材料的技術(shù)水平，需把預(yù)制體作為重點研究方向。在C/C復(fù)合材料預(yù)制體中常見缺陷為碳棒缺棒、夾雜、疏松、密度不均勻、分層等。對預(yù)制體進行基體碳的沉積等形成C/C復(fù)合材料，由于受原材料特性和工藝流程的影響很大，因此在沉積的過程中易于出現(xiàn)不同類型的缺陷。其中最常見的缺陷為裂紋、分層、夾雜和密度不均，各種缺陷的存在對產(chǎn)品的使用都有一定的影響。

1.2 C/C復(fù)合材料無損檢測方法對比

現(xiàn)階段C/C復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和損傷的無損檢測方法主要有超聲波檢測技術(shù)、X射線照相技術(shù)和工業(yè)CT檢測技術(shù)等。各種檢測方法都有著各自的優(yōu)勢，也同時存在著一定不足。

超聲波檢測受其材質(zhì)表面影響，對于探頭的放置有很大的干擾。徐文鋒[3]等人在C/C復(fù)合材料的無損檢測研究中指出，超聲波檢測需要使用耦合劑，多數(shù)情況介質(zhì)是水或置于水槽中，對于C/C復(fù)合材料是不利的。因為這種材質(zhì)易于吸潮、吸水造成性能衰減，并且超聲波檢測對于不致密組織或者內(nèi)部不均勻的材料檢測會產(chǎn)生較大的雜波影響。缺陷產(chǎn)生的信號與噪聲信號難以區(qū)分，影響檢測結(jié)果的判斷，對缺陷做準確的定性和定量表征有很大的困難。

X射線檢測對于體積形缺陷檢出率較高，對于面積形缺陷如裂紋、分層等敏感度較低，檢出率和投射角度有很大的關(guān)系。陳騰飛等[4]利用X射線實時成像技術(shù)對C/C復(fù)合材料進行檢測，結(jié)果表明X射線對其斷針和疏松等缺陷結(jié)果檢測是有效的。但是C/C復(fù)合材料材質(zhì)的不均勻性常常阻礙或遮蓋了小缺陷(如孔隙等)的檢測，并且射線圖像是重疊影像，在深度方向上對缺陷的尺寸和位置確定較為困難。

工業(yè)CT技術(shù)已被公認為20世紀后期最實用的科技成果之一，并為國際無損檢測界稱作最佳的無損檢測手段[5]。國內(nèi)專家學者徐惠娟[6]等也對C/C復(fù)合材料的無損檢測進行了研究，王俊山[7]等人、金虎[8]等人用工業(yè)CT對C/C復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進行了分析，都證明了工業(yè)CT對于C/C復(fù)合材料中缺陷具有很高的檢測效率。工業(yè)CT除了對C/C復(fù)合材料缺陷進行檢測外，還可以對內(nèi)部質(zhì)量進行定性定量分析，如密度分布的測量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的精確測量等。因此，本文利用工業(yè)CT對C/C復(fù)合材料進行檢測并分析。

2 工業(yè)CT技術(shù)在C/C復(fù)合材料無損檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測設(shè)備技術(shù)指標

空間分辨率：2 lp/mm；密度分辨率：0.5%；射線機管電壓：2 MeV；射線機焦點尺寸：2.0 mm；探測器：線陣列探測器。

2.2 缺陷檢測實例

2.2.1 C/C復(fù)合材料預(yù)制體中缺陷檢測實例

目前所應(yīng)用的預(yù)制體大概可以分為三類：針刺預(yù)制體、穿刺預(yù)制體、軸徑編預(yù)制體。在預(yù)制體中容易出現(xiàn)缺棒、夾雜、分層和疏松等缺陷，有效的缺陷檢測，從源頭提高了C/C復(fù)合材料的使用可靠性。

圖1列出了C/C復(fù)合材料預(yù)制體中的幾種典型缺陷的CT圖。從圖1(a)中可以看出：灰度特征發(fā)亮的部位即為夾雜缺陷；該夾雜密度比預(yù)制體本身材料密度大，整個影像亮度一致，根據(jù)該成型工藝可判定為金屬夾雜；從位置分析該夾雜出現(xiàn)于固定預(yù)制體的芯模內(nèi)部，可以判斷出該夾雜并不影響預(yù)制體性能。從圖1(b)中可以明顯看出黑色圓形孔洞，大小和碳棒粗細一致，即為缺棒現(xiàn)象。根據(jù)CT圖像，可以精確的算出缺棒的具體位置，以便對其進行修復(fù)。從圖1(c)中明顯能看出該標記處纖維較為松散，說明該位置的纖維在編織過程中用力不均勻，造成疏松，但是該疏松位置靠近內(nèi)層表面，最終可以機加掉，不影響產(chǎn)品的使用性能。從圖1(d)中可以看出，畫圈處密度相對于基材密度較低，但是又有別于裂紋的不規(guī)則線狀影像，呈連續(xù)線狀與分層特征一樣，屬于分層缺陷。

圖1 C/C復(fù)合材料預(yù)制體典型缺陷的CT圖像

2.2.2 C/C復(fù)合材料復(fù)合材料中缺陷檢測實例

在最終C/C復(fù)合材料中會出現(xiàn)不同類型的缺陷，以夾雜、裂紋和密度不均為主。其中影響產(chǎn)品性能的主要為夾雜和裂紋，如圖2所示。

圖2 C/C復(fù)合材料最終缺陷的CT圖像

從圖2(a)中可以看出夾雜具有一定幾何形狀，灰度值明顯區(qū)別于周邊正常材料灰度值。通過分析為金屬夾雜，在進行基體碳的沉積后，經(jīng)過高溫處理未能排出預(yù)制體外而使其碳化產(chǎn)生夾雜。從圖2(b)中可以看出不規(guī)則的線狀影像，中間寬兩端細，是裂紋的明顯特征。

在C/C復(fù)合材料中夾雜的出現(xiàn)都會導致其力學性能和材料的可靠性能下降，所以利用工業(yè)CT對于缺陷的檢出為C/C復(fù)合材料設(shè)計提供了更多的選擇機會，通過工業(yè)CT檢測和制造工藝相結(jié)合，及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)缺陷的工序，便于改進工藝，縮短研制周期，降低成本。

2.3 定量分析

2.3.1 預(yù)制體間距測量及鋪層均勻性分析

在編織工藝中，編織間距通常是一個用來直接表示編織預(yù)制體緊密程度的參數(shù)。對同一編織方法和同一編織結(jié)構(gòu)而言，編織間距越小，預(yù)制體越緊密(細密)；反之，間距越大，越松散。通過CT精確測量可判斷預(yù)制體間距是否符合設(shè)計要求。圖3(a)為預(yù)制體工業(yè)CT切層圖像，圖3(b)為預(yù)制體工業(yè)CT切層圖像直線標記處相對密度分析圖，從圖中明顯可看出波峰所對應(yīng)的為預(yù)制體纖維處密度即為最大密度，波谷所對應(yīng)為相鄰纖維中間平均密度，而最小密度則對應(yīng)纖維缺束位置密度，通過對圖3中曲線進行測量，可以計算出每個波峰到波谷的相鄰纖維間距，圖中從曲線中測量出缺束處寬度為1.4 mm，不符合檢測要求。另外，還可通過計算峰值數(shù)獲得該預(yù)制體其他方向的碳布層數(shù)，從而判定鋪層均勻性。

圖3 C/C復(fù)合材料預(yù)制體工業(yè)CT切層圖片及密度分析圖像

2.3.2 尺寸測量

CT圖像是真實再現(xiàn)所檢測工件的二維切層結(jié)構(gòu)，因此通過CT圖像可以準確地獲得所測工件的相關(guān)尺寸。圖4為C/C復(fù)合材料最終常壓碳化后圖片，通過對裂紋的長、寬度和距離外表面的距離精確測量，為機加提供準確的判定信息，從而決定產(chǎn)品最終所用的規(guī)格型號，大大地提高了缺陷產(chǎn)品的利用率。

圖4 C/C復(fù)合材料最終常壓碳化后圖片

2.4 其他應(yīng)用

利用CT技術(shù)優(yōu)勢，在無需破壞產(chǎn)品的情況下，精確分析產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。特別是在尺寸多變的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，工業(yè)CT獨特的優(yōu)勢得以實現(xiàn)。從圖5中可以清楚的看出所檢測的C/C復(fù)合材料預(yù)制體的纖維走向和連續(xù)性整體較好，但是在法蘭端面左側(cè)上表面纖維無連續(xù)性，通過測量纖維與纖維之間間距為2.3 mm，進一步了解了復(fù)雜預(yù)制體的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)預(yù)制體處理和機加等提供了參考數(shù)據(jù)。

圖5 C/C復(fù)合材料預(yù)制體工業(yè)CT檢測圖像

3 結(jié)論

工業(yè)CT檢測技術(shù)對C/C復(fù)合材料制品中的缺陷具有很高的分辨率，能有效地檢測出制品內(nèi)部中存在的夾雜、裂紋、缺棒、疏松、分層等缺陷，解決了其余無損檢測手段檢測的局限性。工業(yè)CT可以對其進行定性定量分析，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、改進生產(chǎn)工藝，決定制品的最終用途有著非常重要的意義。