前言

       簡(jiǎn)單的夾層結(jié)構(gòu)由三部分組成：面板，芯材和膠接，通過膠接在前面兩個(gè)組分之間傳遞載荷。夾層結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到的作用是通過讓輕質(zhì)、有一定厚度的芯材承受剪應(yīng)力，同時(shí)將兩個(gè)相對(duì)比較堅(jiān)韌、薄的承載面板隔開。

圖1，相同面板材料夾層結(jié)構(gòu)的機(jī)理


圖2，ROHACELL泡沫結(jié)構(gòu)

對(duì)于面板，主要考慮的是材料的強(qiáng)度和剛度，但是對(duì)于芯材，主要目的是為了最大幅度的減輕重量。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，芯材通常使用鋁蜂窩、泡沫或NOMEX®蜂窩。鋁蜂窩或NOMEX®蜂窩，具有壓縮模量高，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是航空領(lǐng)域廣泛使用夾芯材料，通常與碳/玻璃纖維預(yù)浸料一起使用。這里主要討論泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)。在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域，最常用的夾層結(jié)構(gòu)的芯材是PMI泡沫，ROHACELL®是贏創(chuàng)德固賽公司生產(chǎn)的PMI泡沫，參見圖2。泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)常用在機(jī)翼前緣和方向舵，起落架艙門，翼身/翼尖整流罩等。

 和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相似，泡沫復(fù)合材料常見的缺陷有：

        1. 復(fù)合材料面板的缺陷，例如劃傷、裂紋、氣孔，夾雜等

       2. 復(fù)合材料面板和泡沫芯材的粘接缺陷，例如脫粘

       3. 泡沫芯的損壞

針對(duì)這些缺陷, 相應(yīng)地發(fā)展起了多種無損檢測(cè)方法。不過, 泡沫夾層結(jié)構(gòu)一般面板的檢測(cè)面積大、厚度薄, 而且呈現(xiàn)低的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、泡沫材料的聲衰減較大，所以, 其與一般復(fù)合材料的無損檢測(cè)具有明顯差別。目前，適用于PMI泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)方法主要有超聲無損檢測(cè)和激光錯(cuò)位散斑干涉無損檢測(cè)^[1,2] 。

一、空氣耦合超聲無損檢測(cè)^[4,5]

       復(fù)合材料最常用的無損檢測(cè)方法是超聲檢測(cè)。測(cè)量出的超聲參數(shù)包含大量復(fù)合材料質(zhì)量的相關(guān)信息。通常，用超聲方法可以檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的分層、夾雜、樹脂疏松與裂紋、氣孔等。波的參數(shù)，包括聲衰減和速度，可以用來確定材料的性能，例如孔隙率、剛度等，如果已知密度，可以得到材料的剛度。材料的聲阻抗，其中是材料的密度，是材料中聲音傳播的速度。

    聲強(qiáng)反射率R， ，R是界面上的反射波的聲強(qiáng)I_Y與入射波的聲強(qiáng)I₀的比值.

表1、材料的超聲反射特性

為使超聲波以常用的壓電轉(zhuǎn)換器為聲源進(jìn)入試件，一般需用耦合劑，耦合劑的作用是讓超聲有效地傳入工件。由于空氣和一般的復(fù)合材料或者金屬工件的聲特性阻抗有很大的不同，參見表1。這導(dǎo)致大部分聲能在界面處被反射，只有很少的一部分能進(jìn)入工件，從而使空氣耦合檢測(cè)的范圍收到了極大的限制，一般只能進(jìn)行外部檢測(cè)，如距離測(cè)量等。用于內(nèi)部檢測(cè)時(shí)則僅限于低密度材料，由于這些材料的聲特性阻抗較低，例如ROHACELL® PMI HP60泡沫聲阻抗是7005 g/cm2s，因此超聲的透射系數(shù)比較大?？諝怦詈铣暀z測(cè)通常采用的頻率范圍是（25－250）kHz，也可以擴(kuò)展到500kHz-2.25MHz。另外有些檢測(cè)件，不宜與水接觸，例如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這時(shí)也選擇空氣作為耦合劑來進(jìn)行超聲檢測(cè)。

 芯材的表面粗糙度對(duì)聲耦合有明顯的影響。對(duì)于同一耦合劑，如果工件的表面粗糙度高，則耦合效果差，反射回波低。聲阻抗低的耦合劑，例如空氣耦合，隨粗糙度的升高，耦合效果降低得更快。在泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，泡沫孔隙的大小對(duì)超聲回波的質(zhì)量有所影響。ROHACELL泡沫的直徑如表2和圖4所示?？紫兜闹睆皆叫。暬夭ǖ馁|(zhì)量越好。

圖3，泡沫芯材和纖維樹脂復(fù)合材料的界面


表2，PMI泡沫孔隙直徑范圍


ROHACELL^® WF


ROHACELL^® RIST


ROHACELL^® RIMA
圖4. 不同ROHACELL泡沫的SEM照片

對(duì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，在利用空氣耦合超聲檢測(cè)穿透法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用高聲壓值補(bǔ)償損失和低的頻率的影響，通常取50kHz，有些情況下100 kHz。如圖5所示，采用兩個(gè)探頭，一個(gè)用于發(fā)射，一個(gè)用于接受，分置在工件兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)脈沖波或者連續(xù)波穿透工件以后的能量變化來判定缺陷的情況。

圖5 空氣耦合超聲穿透法無損檢測(cè)原理




圖6 泡沫夾芯殼結(jié)構(gòu)的空氣耦合超聲檢測(cè)

如圖6所示，對(duì)經(jīng)過沖擊試驗(yàn)的泡沫芯材夾層殼結(jié)構(gòu)，利用空氣耦合超聲進(jìn)行檢測(cè)。從C掃描圖上可以明顯看出長(zhǎng)桁脫粘。

德固賽公司曾委托美國(guó)QMI公司對(duì)預(yù)制缺陷的ROHACELL®泡沫夾層結(jié)構(gòu)板進(jìn)行空氣耦合超聲檢測(cè)[4]。第一階段的試驗(yàn)，檢測(cè)的缺陷試件包括碳纖維面板、鋁面板和芯材之間不同直徑的脫粘情況，以及沒有面板的情況下的兩塊粘接在一起的泡沫之間的脫粘情況。針對(duì)不同的頻率、探頭布置方式，利用C顯示，可以檢測(cè)出碳纖維面板和泡沫芯材之間1/16 inch－3/4 inch直徑的脫粘缺陷；能夠檢測(cè)出鋁面板和泡沫芯材之間的脫粘以及泡沫之間的粘接脫粘缺陷。

第二階段的測(cè)試件的芯材為兩塊50mm厚的ROHACELL® 51WF泡沫膠粘在一起，如圖7所示，試件上預(yù)制了各種缺陷。因?yàn)榕菽牧媳旧淼牟痪鶆蛐?，泡沫孔壁和孔隙之間界面的存在，造成了泡沫材料本身含有聲阻抗急劇變化的界面，所以導(dǎo)致了很大的散射衰減。在225kHz和400kHz頻率下的超聲檢測(cè)試驗(yàn)均告失敗，信號(hào)全部衰減。QMI公司采用超聲頻率為120kHz，合適的探頭布置，QMI公司得到的C掃描圖像如圖8所示。

圖7，預(yù)制缺陷的泡沫芯材夾層板試件


圖8，預(yù)制缺陷的泡沫芯材夾層板的超聲空氣耦合C掃描圖像

這里，缺陷的預(yù)定義方式，采用的是通常水耦合超聲的途徑，即剝離膜。這本身很難被空氣耦合超聲檢測(cè)。如果采用正確的方式預(yù)定義缺陷樣件，空氣耦合超聲無損檢測(cè)適用于PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)。

二、脈沖回波超聲無損檢測(cè)

圖9 通過超聲回波間隔確定缺陷位置

這里所說的脈沖回波法通常是采用水作為耦合劑。脈沖反射法是通過測(cè)量待測(cè)結(jié)構(gòu)的缺陷處和背面反射的能量來判斷的。脈沖超聲波入射到被測(cè)工件, 有一部分被反射, 這部分反射波可以被接收; 另一部分穿過工件, 再從工件的底面反射且再次穿過工件, 這部分反射波也可以接收。采用這種方法時(shí),超聲波要兩次穿過工件, 并要檢測(cè)反射回來的回波,所以也叫脈沖回波法，如圖9所示。

通過脈沖回波法可以檢測(cè)泡沫和面板之間的粘接

       圖10為采用該方法檢測(cè)泡沫結(jié)構(gòu)泡沫和面板之間粘接的三種典型情況的示意圖。圖10 (b) 是蒙皮與膠層之間出現(xiàn)脫粘的波形, 這種情況和單板相似。由于蒙皮和空氣界面間聲阻抗變化很大, 因而蒙皮界面有很強(qiáng)的反射能力, 造成入射脈沖信號(hào)在板內(nèi)多次反射, 并維持較長(zhǎng)時(shí)間, 信號(hào)衰減較為緩慢。當(dāng)膠層和泡沫之間出現(xiàn)脫粘時(shí), 波形如圖10 (c) 所示。此時(shí), 蒙皮與空氣的界面消失了, 代之以較為微弱的聲阻抗變化, 因而大部分脈沖信號(hào)能輸入到膠層而消失, 脈沖信號(hào)衰減很快, 顯示波形只有少數(shù)幾個(gè);當(dāng)蒙皮與泡沫芯粘接良好時(shí), 波形如圖10(a) 所示,除了出現(xiàn)膠層的阻尼效應(yīng)以外, 由于聲能傳輸?shù)脚菽? 而又反射回探頭, 所以衰減速度較圖10 (c)緩慢而比圖10 (b) 快。在實(shí)際檢驗(yàn)中, 用標(biāo)準(zhǔn)樣件作對(duì)比就可以方便地檢測(cè)出缺陷來。

圖10，泡沫夾層結(jié)構(gòu)三種典型情況的波形圖

通過回波強(qiáng)度還可以確定泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面板的孔隙率

       對(duì)泡沫芯材復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料面板的高孔隙率會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的下降，因此在對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行線上質(zhì)檢時(shí)，一定要對(duì)其孔隙率進(jìn)行充分檢測(cè)。對(duì)于ROHACELL® RIMA / HP泡沫夾層結(jié)構(gòu)，由于這兩種泡沫的孔隙均勻細(xì)密，其可以在復(fù)合材料脈沖回波超聲無損檢測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)均勻的超聲反射，作為超聲波的均勻反射面來檢測(cè)復(fù)合材料面板的孔隙率和纖維含量[5]。

三、激光錯(cuò)位散斑干涉無損檢測(cè)^[6]

       激光錯(cuò)位散斑(Laser Shearography)技術(shù)也稱剪切散斑技術(shù)，是20世紀(jì)80年代興起的用于表面變形測(cè)量的新型光學(xué)檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)用于無損檢測(cè)的原理與激光全息干涉類似，都是通過對(duì)待測(cè)物體加載，觀察缺陷表面異常變形所產(chǎn)生的異常光學(xué)干涉條紋來判斷缺陷特征。與激光全息檢測(cè)相比，錯(cuò)位散斑技術(shù)操作方便、檢測(cè)效率高。

 Shearography不僅光學(xué)干涉裝置比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械噪聲不敏感，對(duì)系統(tǒng)的隔震要求也不高，Shearography較ESPI更適合于如生產(chǎn)線上的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。與非光測(cè)技術(shù)相比，如C掃描，Shearography是非接觸式的，不需要任何介質(zhì)，而且速度快，適合于工程結(jié)構(gòu)，特別是大型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)，這是C掃描難以做到的。

圖11，激光錯(cuò)位散斑干涉無損檢測(cè)的原理

如圖11所示，用激光對(duì)未加載的帶缺陷夾層板表面進(jìn)行照射，因?yàn)閵A層板表面的各個(gè)點(diǎn)都會(huì)在光學(xué)傳感器上投影兩次，所以會(huì)產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象。如果對(duì)帶有內(nèi)部缺陷的夾層板進(jìn)行某種形式的加載，則缺陷的存在會(huì)使夾層板表面產(chǎn)生微小的變形，此時(shí)激光反射得到的干涉圖像與未加載或無缺陷時(shí)的干涉圖像不同[6]。從而可以判斷缺陷的存在與否和位置。

德固賽公司曾向美國(guó)激光技術(shù)公司（LTI）提交了兩塊ROHACELL®泡沫板材進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑干涉無損檢測(cè)，其目的是確定激光錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)對(duì)預(yù)制板材缺陷的敏感度[7]。德固賽公司在制造板材的過程中預(yù)制了各種缺陷，用來確定各種加載方法下激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)的缺陷檢測(cè)能力。 美國(guó)激光技術(shù)公司則引入各種深度和尺寸的缺陷，來確定檢測(cè)敏感度與缺陷深度的關(guān)系。提交檢測(cè)的兩個(gè)試件都帶有預(yù)制缺陷，且都是用兩塊53.3mm厚度的ROHACELL®泡沫膠接在一起制成的。

 1號(hào)試件的尺寸是400mm×267mm×107mm，上下面板是碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料層壓板。一個(gè)0.254 mm厚的金屬片被從夾芯板側(cè)面壓入到芯材中，并以此來確定激光錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)對(duì)不同深度缺陷的敏感度。圖9所示為1號(hào)試件的設(shè)定缺陷的位置，常見圖12。
 

圖12 德固賽公司激光錯(cuò)位散斑干涉無損評(píng)價(jià)的預(yù)制缺陷夾芯板試驗(yàn)


圖13 通過激光錯(cuò)位散斑干涉方法檢測(cè)到的夾層板缺陷

1號(hào)試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，激光錯(cuò)位散斑干涉采用真空加載可以透過53.3mm厚度的泡沫檢測(cè)到25.4mm直徑的脫粘；以及面板到芯材12.5mm厚度內(nèi)設(shè)定的各種缺陷。熱加載可以檢測(cè)到很多設(shè)定的面板缺陷。激光錯(cuò)位散斑干涉檢測(cè)方法無法定位某些脫粘缺陷。

       2號(hào)試件的尺寸是400mm×267mm×107mm泡沫板，無上下面板。由于泡沫的穿透性和表面的粗糙性，激光錯(cuò)位散斑干涉無法用于檢測(cè)無面板ROHACELL泡沫（2號(hào)試件），但是只要一側(cè)有面板，就可以使用該方法進(jìn)行檢測(cè)。

四、結(jié)論

       a) 空氣耦合超聲可以用來檢測(cè)泡沫夾層結(jié)構(gòu)中面板的缺陷，面板和芯材之間的脫粘以及芯材的缺陷。

       b) 超聲脈沖回波超聲方法可以用來檢測(cè)泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面板的孔隙率和面板和芯材之間的脫粘。

        c) 激光錯(cuò)位散斑干涉無損檢測(cè)可以檢測(cè)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的近表面缺陷。相比其它檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)效率高，檢測(cè)成本低，對(duì)周圍環(huán)境沒有嚴(yán)格的要求。但是影響檢測(cè)結(jié)果的因素很多，位錯(cuò)的大小和方向，加熱的時(shí)間，操作人員的經(jīng)驗(yàn)等因素都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。