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碳纤维复合材料(CFRP)检测方案大集合

时间:2021-12-27 点击次数:976

背景

复合材料因其优越的可设计性、抗疲劳、抗腐蚀以及较高的减重效率,已经成为目前各种先进飞机结构的必选材料。复合材料在*飞机上的应用比例逐年提高,波音787飞机复合材料应用比例已经超过50%,空客从A310的5% 复合材料到A380的25%,最新研制的A350XWB已经超越波音787的复合材料用量,达到53%。

目前航空先进复合材料零件使用最多的是树脂基碳纤维增强复合材料,高性能的碳纤维复合材料满足了航空领域发展的需要,国内外已将其大量用于飞机局部增强作用的角材、隔板、肋等结构部件,以及机翼、尾翼、升降舵等承力结构件。除了大型壁板外,复合材料制件截面多为L形或L形的变形体。具有L形结构的先进复合材料层压板的抗屈曲能力优于相同厚度、同等铺层的平板状层压板,并且此类零件的结构也更利于盒段等部件的装配。

超声检测,尤其是相控阵超声检测方法是碳纤维复合材料常用的方法之一,在一般的超声检测人员眼中碳纤维复材是比较难检测的一种材料,原因是其纤维结构可能会导致声波衰减严重,声穿透性较差。但实际情况是不同行业的碳纤维复合材料,不同的制作工艺会使其可性产生巨大差异。

比如航空航天用碳纤维复合材料的衰减就非常小,对于垂直表面入射的声束,其衰减性甚至小于普通的碳钢材料。而对于一些如碳纤维缠绕气瓶,其碳纤维材料的衰减就非常大,穿透性差。

当然入射角度也是碳纤维材料声衰减的重要影响因素,当声束角度与碳纤维复合材料表面不垂直时,其声波衰减也会增大,甚至消失。


2. 超声相控阵检测方案

(1) 碳纤维平板类层压复合材料

这种类型的碳纤维复合材料是最常见的一种,其形状简单,多为平板类,通过多层铺叠方式成型,声
衰减较小。


因而这类复合材料大多可以采用滚轮式相控阵探头检测方法进行检测。


下面是对这类复合材料的检测结果,可以看到对于变厚度(1.2mm~12mm)的复合材料工件,可以清晰看到不同厚度、不同深度的缺陷情况,并通过C扫描(投影视图)显现出来。


最薄的工件厚度可以到1.2~1.5mm,可区分上下表面及缺陷信号。

(2) 碳纤维蜂窝结构件检测

碳纤维蜂窝结构的复合材料由于其高强度的耐压能力,最早被用于航空航天的重要支撑结构上。随着技术的发展,蜂窝结构复合材料也被广泛用于包括铁路、建筑装饰、船舶等多个领域。

碳纤维蜂窝结构复合材料的检测历来都是检测的难点,之前的航空航天蜂窝复合材料检测主要使用超声喷水系统进行检测,系统结构复杂,造价昂贵,且效率不高,只用于航空航天行业复杂形状且检测要求较高的环境使用,且需要遵循航空航天行业标准。而且碳纤维蜂窝结构比铝合金蜂窝结构由于其蒙皮壁厚更薄,更加难以检测。

使用轮式相控阵探头RollerForm,配合Omniscan系列相控阵检测设备,可以便捷高效地对蜂窝结构复合材料进行检测,具有检测效率高,成像直观等特点。

下图是碳纤维蜂窝结构的C扫描图像,图中可以清晰看出蜂窝的结构和排布。


(3) 碳纤维复合材料R角检测

CFRP拐角类零件有很多种结构,基于结构的不同,需要特定的检测设置,特定的探头和楔块,才能得到好的检测结果。

超声相控阵技术可以很好地检测R角复合材料工件的R角部位,基本原理与常规超声相同,因而为了使用0度角进行拐角检测,超声声束必须垂直入射表面。为了达到该目的,需要使用弧形晶片排列的相控阵探头,并且将探头的曲率半径中心与零件的曲率半径中心重合。


下图为R角工件检测结果,如下图所示。由下面检测图像可见,从C扫描图像中可以看到一个疑似的微小点状的气孔,而从S扫描和A扫描中同样可以看到该缺陷信号。而且工件厚度非常薄,只有2mm左右,但依然可以清晰分辨出上下表面,且表面波平直。


(4) 碳纤维复材结构翻边检测


碳纤维复材除了前面讲到的平板类,还有很多的异形结构件,其中较多的一种结构是带翻边的结构件,其翻边部位由于宽度较窄,壁厚较薄,常规的检测方法很难快速高效的对其进行检测,或者会产生较大的盲区。

通过使用迷你滚轮探头EdgeForm配合Omniscan超声相控阵设备,可以有效地解决这一问题。


EdgeForm作为一款迷你版的滚轮探头,其探头滚轮部分可以自由伸缩,以应对不同宽度的翻边,其滚轮表面润湿以后,只需少量水即可实现工件表面的良好耦合。


下面是EdgeForm检测碳纤维复材翻边部位的检测结果,可以清晰看到翻边部位的表面回波和底面回波,未见明显缺陷信号。


使用EdgeForm检测另外一个异形结构CFRP工件,可以发现两个自然分层缺陷如下

3. 低频超声碳纤维复合材料检测方案
一发一收模式用于检测带有蜂窝结构的碳纤维复合材料,使用一个双晶、点接触、干耦合超声探头。激发单元将声能传送到工件内,然后,接收单元再接收从表面传播回来的声能。在粘接完好的条件下,部分声能由于蜂窝结构的吸收而产生衰减。当探头被放置在脱粘区域上时,传播到接收单元的声能会变得很大,并会引起波幅的变化。

一收一发检测模式包括三种检测方法:射频法、脉冲法和扫频法。

不同方法的频率范围如下:1 kHz ~ 50 kHz(射频,脉冲)或1 kHz ~ 100 kHz(扫频)

射频法:射频法显示的是接收单元接收的原始信号,仪器可以检测到和坏位置的振幅和相位差别,然后通过放置闸门在一个合适的位置,以监控缺陷对信号的影响。

脉冲法:该方法不像射频模式,它的数据在显示之前会通过一个过滤器,仪器可以检测到好和坏位置的振幅和相位差别,然后通过放置闸门在一个合适的位置,以监控缺陷对信号的影响。


脉冲显示分屏中的一发一收模式信号。X-Y视图(右侧)显示了近侧和远侧脱粘的记录(不同的相位)。

扫频模式:该方法频率不像上两个方法是固定,它是频率不停变化的,环形显示的就是不同频率下的相位和幅值的变化。当环形信号超出了中间的闸门框,则认为发现了缺陷。该方法的优点是使用多频扫查,而且提离信号与缺陷信号差异明显。


4. 空气耦合超声检测

空气耦合超声检测(ACU)是一种非接触式的无损检测方法,但空气耦合超声方法需要解决固体和空气介质之间的巨大的声学差异导致的声衰减。这种声衰减可能会大于160dB,而且这种衰减与频率相关。因此所使用的频率限定在大约500kHz。因此常规超声设备无法用于空气耦合超声检测中。
下面是空气耦合超声检测系统的样式,使用阵列式的空气耦合超声探头。

下图显示的式金属夹层结构的超声检测结果,该结构为CFRP(碳纤维增强复合材料)蒙皮,内部是金属蜂窝芯,总厚度12mm。C扫图像清晰地显示出四个分层缺陷。缺陷处的振幅降低了18dB,并清晰可见。并通过软件自动计算缺陷面积为2490mm²。

5. 激光错位散斑检测技术
激光错位散斑检测方法的原理如下图,激光器发出的相干光经过扩束镜照射被检测物体,其漫反射表面产生散斑场。分束镜和两个反射镜产生的两束光(两幅错位的图像)在CCD处叠加成一幅图像。物体上的两个点P1和P2(简称“对点"),成像后叠加为一点P,形成散斑图,可通过计算机看到。如果有缺陷则表面会产生异常的离面位移,在图像对应位置处可会出现异常的条纹图或相位图。通过条纹异常区的特征可识别缺陷的位置和大小。


激光散斑无损检测系统主要适用于复合材料,例如蜂窝 板、层合板、橡胶制品、压力容器、粘接产品等。


航空领域包括:飞机机翼层压板、蜂窝板等的缺陷和粘接性能检测、发动机橡胶粘接产品的粘接质量检测、直升机复合材料桨叶的缺陷检测、各种航空零部件、结构件层压板、蜂窝板、胶接结构和泡沬夹芯结构等的检测。

6. 结论
碳纤维复合材料检测通过超声相控阵技术、低频超声技术等多种技术手段,可以利用每种技术各自的优势,得到理想的检测效果。尤其是超声相控阵技术的迅猛发展,使得其在碳纤维复合材料检测中的应用越来越广泛,成为复材检测的方案。



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