肖 鵬， 劉衛(wèi)平， 劉 奎

(上海飛機制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海 200436)

肖 鵬

碩士，從事復(fù)合材料超聲檢測技術(shù)研究。

大型客機大量采用先進復(fù)合材料已成為航空領(lǐng)域重要的發(fā)展趨勢。目前，波音777的垂尾、平尾、后氣密框等均使用了復(fù)合材料，總重量占全機結(jié)構(gòu)總重量的11%，達9.9t；波音787的復(fù)合材料用量達到全機結(jié)構(gòu)總重量的50%以上[1]，是世界上第一架采用復(fù)合材料機身、機翼的大型商用飛機；空客新推出的A350飛機中，復(fù)合材料用量高達52%，在A380巨型客機中，復(fù)合材料用量高達25%[2]。

因此，科學(xué)評價復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量與其可靠性顯得格外重要，是保證大型客機安全性的根本前提，而無損檢測是保證飛機質(zhì)量安全的關(guān)鍵技術(shù)。孔隙率的無損檢測就是其中有待繼續(xù)研究和解決的關(guān)鍵問題之一。

孔隙是碳纖維復(fù)合材料中最常見的微小缺陷，由于復(fù)合材料成型工藝的復(fù)雜性，造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中的孔隙會不可避免地出現(xiàn)。孔隙的形成有兩個主要原因：一是預(yù)浸料制作過程中樹脂未完全浸潤或鋪貼時層間空氣未完全抽出，此時形成的孔隙數(shù)量較多，且形狀為扁圓形或長條形；二是固化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)，這時形成的孔隙數(shù)量較少，形狀呈圓形，且尺寸較小，直徑在幾μm到幾百μm間[3]。評定孔隙對材料影響程度的定量指標是孔隙率。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合材料孔隙率進行了大量研究工作，主要有破壞性檢測和無損檢測兩大類方法。破壞法主要包括水吸收法、密度法(酸蝕法、燒蝕法)和金相顯微照相法等。形成了諸如ASTM D2734-2009[4]、GB/T 3365-2008[5]等 標 準。但破壞法工序復(fù)雜、成本較高，且只能代表試樣局部的孔隙率。無損檢測以超聲檢測為主，超聲波檢測孔隙率的方法主要包括衰減法、聲速法、聲阻抗法[6]等。其中，衰減法由于原理簡單且受纖維影響小等優(yōu)點而備受關(guān)注。

本文將就超聲衰減法檢測孔隙率的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況展開分析，對存在的問題進行探討與總結(jié)，并對今后超聲衰減法檢測孔隙率提出相應(yīng)的研究與應(yīng)用方向。

孔隙率超聲衰減法檢測理論研究現(xiàn)狀

衰減法以機械波在復(fù)合材料中的傳播為物理基礎(chǔ)，建立超聲衰減與孔隙率之間的理論計算模型。

1976年，MARTIN[7]假設(shè)復(fù)合材料是各向同性的，材料內(nèi)部的孔隙大小都是相等的均勻分布，每一個孔隙對超聲波的衰減都是相互獨立的，并且大小遠小于波長，即形狀不影響超聲波的衰減。最后提出超聲波衰減理論模型：

其中，α是材料的衰減系數(shù)，P是孔隙率，a是孔隙半徑，λ是超聲波波長，g是一個與縱波波速VL與橫波波速VT之比VR有關(guān)的參數(shù)，即

在與試驗結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，孔隙率＜1.5%，能較好地吻合，但當(dāng)孔隙率較大時，理論與實際出現(xiàn)較大的誤差，原因在于沒有系統(tǒng)地考慮孔隙形狀對超聲波衰減的影響。

在此基礎(chǔ)上，1988年，HALE與ASHTON[8]綜合考慮孔隙的大小、形狀以及分布等情況，建立了理論模型：

其中，R是孔隙的最大半徑，r是孔隙最小半徑，考慮當(dāng)孔隙率＜1.5%時，孔隙大都呈球形，故衰減系數(shù)為：

其中，f是超聲波頻率。

當(dāng)孔隙率＞1.5%時，孔隙大都扁而長，故衰減系數(shù)為：

其中，t是孔隙的厚度。

試驗結(jié)果表明，該理論模型與試驗取得了較好的吻合。

1995年，JEONG和IM[9-10]將復(fù)合材料孔隙率測定公式歸納為經(jīng)驗公式：

其中，常數(shù)Const由材料中孔隙的形狀和分布決定，并將聲速變化與孔隙率聯(lián)系起來，得出：

其中，V為波速，ΔV為波速的變化量。常數(shù)Const由材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙形狀與分布決定，實際檢測中，可采用破壞性方法對常數(shù)Const進行標定，然后用公式來計算材料的孔隙率。

綜上所述，孔隙率與衰減系數(shù)有16著良好的線性關(guān)系。只要能測量出材料的常數(shù)Const，便能根據(jù)信號的衰減得到材料的孔隙率。

孔隙率超聲衰減法檢測試驗研究現(xiàn)狀

1975年， 英 國STONE和CLARKE[11]等人通過采用脈沖穿透法對大量的碳纖維增強復(fù)合材料進行檢測，建立了碳纖維增強復(fù)合材料孔隙率衰減檢測模型，總衰減為：

其中，Af是前表面損失，At是后表面損失，Ab是試樣的衰減。

該文分別采用頻率為2.5MHz、5 MHz、7MHz等3種頻率探頭對試樣進行掃描。掃描后，采取金相顯微鏡統(tǒng)計試樣的孔隙率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率＜1.5%時，大部分孔隙形狀呈圓形，直徑在5～20μm間，這種孔隙是由于試樣制作時材料內(nèi)部的揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)造成的，一般來說，孔隙的直徑越大，孔隙率就越高。當(dāng)材料的孔隙率＞1.5%時，孔隙的形狀是扁而長，這種孔隙是由于截留在層間的空氣造成的[12]。

對3組結(jié)果進行擬合，發(fā)現(xiàn)孔隙率與超聲波衰減是直接相關(guān)的，衰減與頻率成正比，由此建立了超聲衰減系數(shù)與孔隙率的關(guān)系，即

浙江大學(xué)的周曉軍課題組[13-16]也在復(fù)合材料孔隙率超聲檢測領(lǐng)域做了大量的工作，并建立了檢測模型，即

其中，αT是總衰減，αR是樹脂對超聲波的衰減，αF是纖維對超聲波的衰減，αV是孔隙對超聲波的衰減，αO是其他方面的衰減。

該文采用脈沖反射法對試樣進行檢測，通過對模型的分析發(fā)現(xiàn)，超聲波的衰減與材料特性、超聲波頻率、孔隙含量和特征密切相關(guān)，但要求解理論常數(shù)或特征十分復(fù)雜，因此通過理論計算孔隙率是一個極其復(fù)雜的過程。但是對于給定的試樣來說，這些都是定值，采用經(jīng)驗公式來對孔隙率進行計算。將測量出來的孔隙率與金相顯微試驗的結(jié)果進行擬合，建立了3次擬合曲線，誤差最大達到0.59%，取得了實際檢測工程要求。

孔隙率工程檢測方法

1 國外孔隙率工程檢測情況

國際上各航空制造商對于孔隙率的檢測方法也各有不同。早在20世紀70年代，麥道公司采用超聲信號衰減法測量孔隙率，具體操作方式如表1所示。這種方法操作簡單，便于實施，但評估方法過于簡單，沒有考慮制件的厚度因素，另外該方法無法給出具體的孔隙率數(shù)值，一旦出現(xiàn)衰減信號在上述門檻值附近的情況時，設(shè)計進行超差處理時，很難判斷該件的性能，往往會從嚴處理棄用該件，這樣一來就可能會導(dǎo)致制件的報廢率增大，產(chǎn)生不必要的損失。

法國宇航采用測量孔隙率的方法，其基本原理是：先測定超聲波在水中的衰減及該材料的一些相關(guān)參數(shù)，然后利用所測數(shù)據(jù)根據(jù)公式來計算孔隙率[3]。該方法考慮到了材料厚度差異，但是其建立的模型基于一定的假設(shè)，而且模型中用到的參數(shù)不易精確測量，導(dǎo)致誤差較大，并且面積孔隙率與體積孔隙率有差異，二者均可用來表征制件孔隙率的嚴重程度，只是驗收與評判標準不一樣。

波音公司采用對比試塊法，其超聲哀減評估曲線如圖1所示。先制造一系列不同厚度、不同孔隙率的標準試塊，然后讓供應(yīng)商利用這些試塊進行超聲衰減信號的采集，建立評估曲線，進而對批量生產(chǎn)的制件進行孔隙率評估。這種方法是目前公認的最佳方法，該方法對孔隙率的評估最為準確、操作簡單，而且適用于各種檢測方法。但是，如何制造上述對比試塊并對其進行標定，則是使用該方法的關(guān)鍵和難點。

表1 麥道早期的孔隙率無損檢測方法

圖1 使用波音公司對比試塊采取的超聲衰減曲線Fig.1 Ultrasonic attenuation curves on references of Boeing

圖2 空客公司的超聲衰減評估曲線Fig.2 Ultrasonic attenuation curves of Airbus

空客公司則采用超聲衰減評估曲線法，其超聲衰減評估曲線如圖2所示。空客公司直接提供給供應(yīng)商制件的孔隙率超聲衰減評估曲線，供應(yīng)商可以根據(jù)該曲線對制件進行孔隙率評估。該曲線與波音公司對比試塊所采集的曲線類似，也包含了某種材料不同厚度、不同孔隙率的超聲衰減值。

2 國內(nèi)孔隙率工程檢測情況

在工程化應(yīng)用方面，目前國內(nèi)僅有幾個與波音公司有合作的飛機制造廠家購買了波音的復(fù)合材料超聲檢測系統(tǒng)，可使用該系統(tǒng)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的孔隙率進行檢測，并將檢測結(jié)果與波音提供的評價曲線相比較，進而判斷孔隙含量是否滿足要求。

北京航空制造工程研究所（以下簡稱625所）采用理論模型法，該方法的思路是根據(jù)纖維、樹脂、孔隙的超聲衰減模型，結(jié)合所用的檢測方法，建立特定方法的孔隙率超聲衰減模型。該方法的優(yōu)點是不用花費大量精力制造對比試塊，操作簡單。缺點是誤差較大，而且只能使用特定的檢測方法。實踐證明，該方法在孔隙率為0～2%區(qū)間比較準確，2%以上則偏差較大。

近年來，上海飛機制造有限公司與625所合作，針對碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料體系，進行了對比試塊的制造、檢測與標定工作，形成了相應(yīng)的對比試塊，如圖3所示。在進一步的工程化應(yīng)用中，采用該套試塊對復(fù)合材料制件進行了孔隙率超聲檢測，已初步具備工程化應(yīng)用的能力。但是目前的研究工作還處于工程試驗階段，真正應(yīng)用到型號上還需要通過設(shè)計評估與適航驗證。因此，國內(nèi)在復(fù)合材料孔隙率的無損檢測方面還尚不完全具備工程應(yīng)用的能力。

圖3 上飛公司研制的孔隙率對比試塊Fige.3 Porosity references of SAMC

3 國內(nèi)外差距

目前，在民用飛機復(fù)合材料構(gòu)件孔隙率超聲檢測技術(shù)的研究應(yīng)用上，我國與國際先進水平仍有差距，如波音公司經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)研制出多套孔隙率對比試塊，并建立了標準的大型客機復(fù)合材料構(gòu)件孔隙率超聲檢測規(guī)范，并將其應(yīng)用到波音787客機的復(fù)合材料構(gòu)件孔隙率檢測之中。我國雖然已經(jīng)開展了孔隙率對比試塊的研制工作及相應(yīng)的工程化應(yīng)用探索，但所涉及材料范圍、厚度范圍、孔隙率階梯范圍有限，目前尚無法完全實現(xiàn)該項技術(shù)的工程應(yīng)用。

總結(jié)與展望

（1）超聲衰減法測量復(fù)合材料孔隙率具有原理簡單、受纖維影響小且應(yīng)用易推廣等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外的研究重點和主要的工程應(yīng)用方法。

（2）目前，國內(nèi)外學(xué)者建立了復(fù)合材料孔隙率的超聲檢測模型，并進行了理論分析和試驗驗證。但是，將檢測模型應(yīng)用于實際檢測時，由于檢測模型不具有通用性，檢測標準不完善，理論模型與實際情況有較大的出入，相應(yīng)的檢測模型沒有系統(tǒng)的檢測軟件來實現(xiàn)等，存在很多的問題。

（3）在民用飛機復(fù)合材料構(gòu)件孔隙率超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用上，我國雖然已經(jīng)開展了孔隙率對比試塊的研制及應(yīng)用工作，但是所涉及材料范圍、厚度范圍、孔隙率階梯范圍有限，另外還缺乏工程應(yīng)用的經(jīng)驗，還需進一步驗證及完善工藝規(guī)范，盡早實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的孔隙率超聲檢測。

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