超材料是由亞波長結構單元構成的人工復合電磁材料，其通過結構單元中特殊電磁模式的激發，可以實現自然材料無法實現或很難實現的獨特功能。含超材料的結構功能一體化復合材料更是一種兼具了某種電磁功能與結構承載功能的新型結構。隨著現代航空航天技術的發展以及武器裝備的不斷更新換代，含超材料的結構功能一體化制件因其獨特的功能特征正逐步應用于航空航天領域。

 

超聲檢測技術對于含超材料的結構功能一體件是否仍然適用，目前國內鮮有相關研究。實際生產檢測中發現，相比傳統復合材料，超材料會呈現出一些特殊的超聲表征，石英纖維預浸料的單層厚度是碳纖維的1/2，使用常規的超聲檢測手段無法同時發現近表面缺陷和遠表面缺陷。

 

為此，沈陽飛機工業(集團)有限公司的技術人員采用穿透法和反射法，對某種含超材料的結構功能一體化復合材料試塊進行了超聲檢測試驗，確定了適用于零件各個工序階段的檢測方法；針對常規探頭近表面分辨力與穿透性無法同時兼顧的問題，研發定制了改進型高頻探頭，通過檢測效果對比和檢測實例驗證，確定了一次掃查就能可靠識別出材料內部所有缺陷的檢測方法，為后續檢測工作奠定基礎。

 

試驗方法

 

檢測試塊

 

檢測對象為含某種超材料的石英纖維層壓板與碳纖維層壓板黏接結構試塊，采用熱壓罐二次固化成型。為了保證超材料與基體材料之間的強度，超材料兩側與石英纖維預浸料均使用膠膜進行黏接。

 

試塊整體厚度為3.095 mm，超材料置于石英纖維層板中(約為0.46 mm深度處)，石英纖維預浸料的單層理論厚度為0.09 mm。

 

試塊中預埋了雙層聚四氟乙烯薄膜制成的人工缺陷，缺陷直徑為6 mm，分別預埋在不同的深度位置上，包括石英纖維層板的上表面2~3層之間、超材料與膠膜之間、石英纖維層板的下表面2~3層之間，以及石英纖維層板與碳纖維層板之間的膠接界面、碳纖維層板的上表面2~3層間、中間層和下表面2~3層間。試塊的鋪層結構及人工缺陷的預埋位置如圖1、圖2所示。

 

 

圖1 試塊鋪層結構示意

 

 

圖2 試塊缺陷平面位置示意

 

檢測設備與探頭

 

分別采用噴水穿透法C掃描和接觸反射法A掃描兩種方法對試塊進行檢測。超聲C掃描采用NUSCAN型超聲噴水穿透法C掃描檢測系統；超聲換能器為水浸平探頭，晶片直徑為19 mm，頻率為5 MHz；噴嘴直徑為6 mm。反射法超聲A掃描采用聲納公司制造的Masterscan700型超聲波檢測儀，探頭晶片尺寸為0.25 inch的延遲平探頭，探頭頻率為5~15 MHz。

 

檢測過程

 

噴水穿透法使用平探頭時，應使被檢件處于發射探頭與接收探頭的有效工作區內，即近場距離前后。把水程距離調整到探頭的近場距離附近，使試塊位于超聲波聲場的最后一個聲壓極大值處。

 

由于穿透法只能檢測在聲傳播路徑中相對聲束而言尺寸較大的缺陷，故噴嘴直徑應不大于人工缺陷的大小，以保證能夠清晰顯示需檢出的人工缺陷。檢測過程中需隨時保持兩探頭的聲束軸線與試塊表面垂直。

 

接觸式反射法對缺陷的檢測能力在很大程度上取決于探頭的頻率。頻率高時，聲波波長短、聲束窄、擴散角小、能量集中，因而發現小缺陷的能力強，空間分辨力好，但聲波在材料中的衰減隨頻率的增高而增大，故穿透力較低。因此，高分辨力和高穿透力對于普通延遲平探頭而言很難兼得。 

 

針對衰減率大于碳纖維的石英纖維，在選擇探頭頻率時，若對近表面分辨力的要求較高，則勢必會犧牲聲波的穿透能力，因此應根據制件的厚度和空間分辨力的需求進行綜合考量。

 

試塊的一側是單層厚度為0.09 mm的石英纖維層板，人工缺陷預埋在近表面2~3層間，聲波需從石英纖維層板一側入射，故近表面分辨力要求為可分辨0.18 mm的ф6 mm分層，根據石英纖維的高衰減率和試塊整體厚度較大的客觀情況，選取了5 MHz和15 MHz兩種頻率的探頭進行對比分析。

 

試驗結果

 

C掃描檢測結果

 

試塊的穿透法C掃描檢測結果如圖3所示。由圖3可見，9個缺陷均有明顯顯示；優區的衰減均勻，無缺陷顯示。

 

 

圖3 試塊的穿透法C掃描檢測結果

 

試塊C掃描人工缺陷的檢測數據如表1所示，缺陷的檢測尺寸均在精確尺寸的±25%以內，滿足設備允許的誤差范圍；缺陷區與非缺陷區的平均衰減差約為10 dB，可以達到評定缺陷的靈敏度標準， 與常規碳纖維預浸料復合材料制件的檢測結果相比，無明顯差異。

 

表1 試塊C掃描人工缺陷檢測數據

 

缺陷編號	檢測面積/mm2	缺陷區與非缺陷區的平均衰減差/dB
1	25.7	10.2
2	29.9	10.2
3	26.4	10.2
4	32.6	10.2
5	30.7	10.2
6	23.2	10.2
7	28.3	10.2
8	31.6	10.2
9	24.8	10.2

 

由此可見，穿透法C掃描能夠有效檢測出試塊中預埋在不同深度處的人工缺陷，缺陷的顯示尺寸和評定門檻值可以滿足工程化檢測的需求。

 

A掃描檢測結果

 

探頭在試塊上按照規定的掃描路徑進行掃查，使聲束全部覆蓋試塊待檢測部位。對試塊的非缺陷區進行大量的A掃描檢測試驗，5 MHz探頭的波形如圖4所示。

 

 

圖4 試塊非缺陷區的A掃描波形

(5 MHz探頭)

 

由圖4可見，試塊的表面回波和底面回波清晰可見，且波幅較高，兩者之間對應深度的時域位置存在超材料界面波和板板黏接的膠膜波，其中超材料界面波的脈沖寬度較寬而與表面回波相連，其波幅高度略低于表面回波的波幅高度。超材料界面波達到80%FSH(滿屏高度)時，底面回波達到40%FSH，且隨著探頭在非缺陷區的移動，超材料界面波高保持不變。

當探頭置于超材料與石英纖維層板之間的脫黏、石英纖維層板與碳纖維層板之間的脫黏、石英纖維層板的下表面以及碳纖維的上表面/中間層/下表面的分層缺陷(即2#~9#缺陷)上時，在時基線上對應深度的時域位置出現人工缺陷的反射回波，同時底波消失。人工缺陷的波幅高度均滿足4:1的信噪比要求。

由圖4和脈沖反射法的原理可知，超聲波能夠穿透材料內部的超材料和膠膜到達試塊底面并發生反射，超材料界面波波幅較高代表一部分聲波被阻擋產生了較強的反射，故該超材料薄膜對于超聲波具有反射性與透射性的雙重特點。

石英纖維層板內近表面缺陷(即1#缺陷)的A掃波形如圖5所示(使用5 MHz探頭)，由于始脈沖寬度大，近表面分層缺陷的反射回波淹沒在表面回波之中，無法有效識別。

 

 

圖5 試塊近表面缺陷的A掃描波形

(5 MHz探頭)

 

使用15 MHz探頭對試塊采用同樣參數進行檢測，非缺陷區和近表面分層缺陷的A掃波形如圖6和圖7所示。

 

 

圖6 試塊非缺陷區的A掃描波形

(15 MHz探頭)

 

 

圖7 試塊近表面分層的A掃描波形

(15 MHz探頭)

 

由圖6可知，15 MHz探頭的始脈沖寬度窄，盲區較小，表面回波與超材料界面波可從時域位置上顯著區分。由于高頻聲波的波長較短，穿透力較差，故超材料界面波和膠膜波的波幅較低，底面回波信號微弱。當探頭置于2#~9#缺陷上時，反射回波的信噪比小于2:1，缺陷不易分辨，而更窄的脈沖寬度能夠有效提高探頭的縱向分辨力，靠近表面的分層則更容易被識別，如圖7所示。

由此可見，5 MHz探頭可以穿透試塊得到波幅穩定的底面回波并能識別出其內部的結構特征，卻沒有足夠的分辨力識別近表面分層；15 MHz探頭的近表面分辨力很好但穿透力不足。為此，研發了一款改進型高頻延遲平探頭，以解決兩者不可兼顧的問題。

 

改進與對比分析

 

改進的探頭頻率為15 MHz，在不改變檢測條件的情況下，其對試塊的檢測波形如圖8和圖9所示，可見其表面回波的脈沖寬度較常規5 MHz探頭的脈沖寬度減少了50%，近表面分層缺陷清晰可分辨。同時，改進型探頭對于非缺陷區的穿透力與5 MHz探頭的相近，明顯優于同類型的15 MHz探頭。

 

 

圖8 試塊非缺陷區的A掃描波形

(改進型15 MHz探頭)

 

 

圖9 試塊近表面分層的A掃描波形

(改進型15 MHz探頭)

 

在相同的檢測條件下，對改進型15 MHz延遲平探頭與常規5 MHz和15 MHz探頭的檢測效果分別進行了對比分析，結果如表2所示。

 

表2 各類型探頭檢測效果對比

 

探頭類型	脈沖寬度(周數)	0.18mm分辨力	穿透力(相同靈敏度)	信噪比
改進型15MHz	1.5	清晰可分辨	底波波幅40%	≥4:1
5MHz	2.5	不可分辨	底波波幅40%	≥4:1
15MHz	2.0	清晰可分辨	無法穿透試塊	＜2:1

 

改進型15 MHz探頭兼具了5 MHz探頭的穿透力、信噪比以及15 MHz探頭的近表面分辨力，同時在空載脈沖周數和始脈沖寬度上優于另兩個探頭，具有更高的縱向分辨力。

 

檢測實例

 

對某型號飛機結構功能一體化零件的局部含超材料區域（在裝配鉆孔后）進行了超聲檢測。該區域所用的材料、鋪層和結構形式與上文所述的試塊相近，即內部鋪貼了超材料膜的石英纖維層板與碳纖維層板的板板膠接結構。由于零件處于裝配階段，采用接觸式反射法進行A掃描檢測。探頭在零件上按照規定的掃描路徑移動，以使聲束全部覆蓋零件的待檢測部位。

使用常規5 MHz探頭對該零件進行大范圍的A掃描，得到的兩種典型波形如圖10和圖11所示。

 

 

圖10 零件A掃描的典型波形1

(5 MHz探頭)

 

 

圖11 零件A掃描的典型波形2

(5 MHz探頭)

 

典型波形1的表面回波脈沖寬度為2.5周，超材料界面波、膠膜波與底面回波相距很近，底波波幅高度約為20%FSH，在該掃描區域緩慢移動探頭時，波形基本保持不變。該類波形表示零件內部無缺陷。

典型波形2的表面回波清晰可見，脈沖寬度為2.5周，在表面回波之后無其他反射回波，無法從波形圖中判斷引起超材料界面波、膠膜波和底面回波消失的原因。該類波形表示零件的對應區域存在異常。

使用改進型15 HMz探頭對待檢測部位進行重新掃查，得到內部無缺陷區域的波形如圖12所示，可見表面回波的脈沖寬度為1.5周，超材料界面波、膠膜波與底波之間有一定間距可明顯區分，底波波幅高度為20%FSH。

 

 

圖12 零件無缺陷區的A掃描波形

(改進型15 MHz探頭)

 

對出現典型波形2的區域，使用改進型15 HMz探頭掃查得到的波形如圖13所示，可見在表面回波之后靠近表面回波的位置出現一處明顯的反射回波，同時超材料界面波、膠膜波和底波消失。由此可以判斷該區域靠近入射面近表面處存在分層缺陷，缺陷深度約為零件厚度的1/13。

 

 

圖13 零件缺陷區的A掃描波形

(改進型15 MHz探頭)

 

對比改進前后探頭的檢測結果可知，改進型15 MHz延遲平探頭可以顯著改善始脈沖的周數和脈沖寬度，提高近表面分辨力，同時底波波幅相同，說明其穿透力與常規5 MHz探頭相當，能夠檢測整個工件厚度范圍內不同深度的缺陷。 

 

結語

 

(1) 超聲穿透法C掃描檢測能夠有效檢測出試塊中預埋在不同深度的分層和脫黏缺陷，缺陷的顯示尺寸和評定門檻值能夠滿足制造階段工程化檢測的需求。

 

(2) 對于反射法超聲A掃描檢測，當采用常規5 MHz探頭檢測時，無法有效區分近表面0.18 mm的分層缺陷，其他深度的人工缺陷均可檢出；使用常規15 MHz探頭可以分辨近表面缺陷，但穿透力不足，無法有效檢測其他深度的缺陷。

 

(3) 使用改進型15 MHz延遲平探頭能夠彌補常規5 MHz和15 MHz探頭在檢測結構功能一體化復合材料時的弊端，可同時具備高分辨力和高穿透力的特性，能夠通過一次檢測發現試塊中的所有缺陷，有效提高檢測效率，適合受檢測面限制的裝配及在役檢測。