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碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控阵检测方法

张振林;范孟豹;曹丙花;方震东

【摘要】碳纤维复合材料(CFRP)具有相对密度小、比强度和比模量大等优点,被广

泛应用于航空航天、汽车等领域.碳纤维复合材料在生产和服役过程中容易产生分

层缺陷,将严重影响其力学性能.鉴于此,开展了碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控

阵检测方法研究.首先,利用超声相控阵检测仪器测量了不同大小和位置的分层缺陷

超声A扫描信号;其次,通过设置A扫描信号的闸门,提取闸门内的幅值和深度信息

作为表征分层缺陷大小和位置的信号特征;最后,利用提取的幅值和深度信号特征分

别构建了分层缺陷的C扫描图像.结果表明,超声相控阵技术对分层缺陷有良好的成

像效果,基于深度特征的图像可以准确识别分层缺陷的位置;而基于深度和幅值特征

的图像用于识别分层缺陷的轮廓.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2018(018)018

【总页数】5页(P43-47)

【关键词】碳纤维复合材料;超声相控阵;分层缺陷;特征提取

【作者】张振林;范孟豹;曹丙花;方震东

【作者单位】中国矿业大学机电工程学院,徐州221116;中国矿业大学机电工程学

院,徐州221116;中国矿业大学信息与控制工程学院,徐州221116;中国矿业大学机

电工程学院,徐州221116

【正文语种】中文

【中图分类】TB553

碳纤维复合材料(carbonfiberreinforcedplastics,CFRP)是由两种或两种以上不

同性质的材料经过某种工艺合成一体后，所组成的具有优越性能的多相固体材料。

由于其具有相对密度小、比强度和比模量大、化学稳定性高等优良的综合性能，被

广泛应用于航空航天、国防工程、汽车工业等领域[1]。碳纤维复合材料在生产和

服役过程中不可避免的会产生各种各样的缺陷，如分层、脱粘、裂纹、吻接、气孔、

夹杂、孔隙、冲击损伤等[2]。分层是最主要的缺陷之一，它是指相邻层之间的局

部分离或附着力不足，脱胶或开裂，分层降低了材料的压缩强度和刚度，影响材料

结构的完整性。在承受机械和热载荷的条件下，材料结构中的分层缺陷会发生延伸，

最终导致材料部件失效，情况严重时将导致材料发生断裂，是灾难性破坏的前兆

[3]。因此开展碳纤维复合材料分层缺陷的检测与评估就显得尤为重要。

常用于碳纤维复合材料的无损检测方法有超声检测、涡流[4]、声敲击、X射线、

激光错位散斑干涉、红外热成像[5]等方法。与其他方法相比，超声检测技术成熟，

应用极其广泛。当用于缺陷成像及可视化检测时，常规超声检测效率低[6]。与常

规超声检测相比，近些年发展起来的超声相控阵技术具有成像分辨率和效率高等优

点，吸引了国内外研究学者从事相关应用研究。Nageswaran等[7]通过对比实验

发现，超声相控阵技术检测CFRP材料分层缺陷时可以显著提高检测效率；Yu等

[8]应用基于导波的相控阵波束形成和成像检测技术，实现了大型复合材料构件中

的缺陷检测；Wang等[9]针对混凝土结构的损伤检测设计了一种正交压电复合材

料相控阵探头；周正干等[10]研究了复合材料构件R区缺陷的超声相控阵C扫描

检测技术。

本文针对碳纤维复合材料分层缺陷的超声相控阵检测技术进行研究，重点研究了分

层缺陷的信号特征提取及C扫描成像方法。

1超声相控阵检测原理及探头参数选取

1.1超声相控阵检测原理

超声波是由电压激励压电芯片探头在弹性介质(试件)中产生的机械振动，由惠更斯

原理可知，超声波的波阵面可以看成若干个子波源各自发射相干超声波的合成。相

控阵成像检测是通过控制阵列换能器中各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改

变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点

和声束方位的变化[11]，原理如图1所示。C显示是超声检测数据作为被检工件俯

视图或平面图的二维显示，一轴为扫查轴，另一轴为进位轴。对常规超声检测来说，

两轴都是机械轴；而对相控阵检测来说，仅一轴是机械轴，另一轴通常不是通过机

械移动而是通过电子扫描实现的。激励电脉冲多电路传输，按相同聚焦法则和延时

法则激发一组晶片；则声束以恒定角度，沿相控阵探头长度(虚拟孔径)方向进行扫

描。此种扫描相当于常规超声纵波直探头的移动扫查。

图1超声相控阵检测原理Fig.1Theprincipleofultrasonicphasedarray

detection

1.