程麗君，錢(qián)黃海，董慧民，王占彬，劉 剛

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院,北京 100095)

無(wú)損檢測(cè)以不損傷被檢測(cè)對(duì)象的使用性能為前提，對(duì)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，以評(píng)價(jià)他們的連續(xù)性、安全可靠性及某些物理性能。無(wú)損檢測(cè)可以應(yīng)用在產(chǎn)品制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)以及服役的整個(gè)生命周期，具體包括生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制、產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)、用戶的入廠復(fù)驗(yàn)以及產(chǎn)品的在役檢查。無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程中，可以剔除生產(chǎn)工序中的不合格品，把檢測(cè)結(jié)果反饋到生產(chǎn)工藝中去，可以指導(dǎo)和改進(jìn)生產(chǎn)，改善產(chǎn)品質(zhì)量和加強(qiáng)過(guò)程控制。無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用于出廠檢驗(yàn)、入廠復(fù)驗(yàn)，可以檢驗(yàn)產(chǎn)品是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，防止不合格品被使用。產(chǎn)品在服役期間，定期或不定期的進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的使用狀況，預(yù)判使用壽命。

超聲波無(wú)損檢測(cè)方法在橡膠材料領(lǐng)域的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外都有報(bào)導(dǎo)，大多集中在橡膠/金屬膠接中對(duì)脫黏缺陷的評(píng)價(jià)[1-4]，也有利用超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)定橡膠材料物理量的相關(guān)報(bào)導(dǎo)[5-7][8]5758[9]547-548[10-11]。然而，超聲波無(wú)損檢測(cè)方法在橡膠材料工程應(yīng)用上的報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少。Tittmann等[12]探討了用空氣耦合法對(duì)汽車輪胎進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)的工程實(shí)例。楊恒等[13]報(bào)導(dǎo)了用超聲檢測(cè)技術(shù)測(cè)量航空密封件接觸應(yīng)力的方法，可以實(shí)現(xiàn)橡膠密封接觸應(yīng)力的準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)這些工程應(yīng)用缺乏相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果的判斷在很大程度上也依賴于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)具體的應(yīng)用工況、具體的產(chǎn)品特性仍需要在檢測(cè)方法、結(jié)果判斷上進(jìn)行不斷的探索和研究。本文旨在通過(guò)對(duì)織物增強(qiáng)橡膠件的無(wú)損檢測(cè)，借助對(duì)橡膠件的剖析，研究織物增強(qiáng)橡膠件聲能衰減信號(hào)不同區(qū)域的內(nèi)在差異以及造成差異的原因。本研究方法及結(jié)果對(duì)橡膠件、橡膠復(fù)合材料的超聲波無(wú)損檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果的分析判斷具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

織物增強(qiáng)橡膠件：北京航空材料研究院；含有人工預(yù)制缺陷的對(duì)比試塊：采用聚四氟乙烯制作人工缺陷，圓形，直徑分別為 10 mm、15 mm、20 mm，北京航空材料研究院。

1.2 儀器及設(shè)備

MASTERSCAN 380型超聲波探傷儀：英國(guó)聲納公司；GX51型金相顯微鏡：日本OLYMPUS公司；Leica DMS 1000型體視顯微鏡(SLM)：德國(guó)徠卡公司。

1.3 分析與測(cè)試

超聲波C掃描成像：采用MASTERSCAN 380型超聲波探傷儀，探頭頻率分別為5 MHz、1 MHZ，耦合劑為水；密度按照GB/T 533—2008進(jìn)行測(cè)試；金相觀察：取樣，鑲嵌，先用23 μm砂紙粗磨，再用10 μm砂紙細(xì)磨，待無(wú)明顯劃痕時(shí)，再進(jìn)行拋光，直至無(wú)顯微劃痕為止，然后清洗，采用GX51型金相顯微鏡進(jìn)行逐行掃描；體視顯微鏡觀察：采用Leica DMS 1000體視顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物增強(qiáng)橡膠件超聲C掃描

采用5 MHz平探頭，首先在對(duì)比試塊上調(diào)整檢測(cè)靈敏度，保證對(duì)比試塊上的預(yù)制缺陷可以清晰顯示，結(jié)果如圖1所示。按照對(duì)比試塊確定的檢測(cè)參數(shù)對(duì)待檢零件進(jìn)行超聲C掃描，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，零件中存在超聲波信號(hào)衰減顯著的區(qū)域，即圖2中藍(lán)色及深藍(lán)色對(duì)應(yīng)的位置。在零件上對(duì)超聲波信號(hào)衰減不顯著的區(qū)域、衰減顯著的區(qū)域分別進(jìn)行取樣，并做出對(duì)應(yīng)標(biāo)記1#、2#，測(cè)得密度分別為1.16 g/cm3、1.14 g/cm3。兩區(qū)域在密度上有所差異，超聲波信號(hào)衰減顯著的區(qū)域密度較小，衰減不顯著的區(qū)域的密度較大，和前期的研究結(jié)果一致[14]49。

2.2 顯微觀察和分析

在超聲波信號(hào)衰減顯著的區(qū)域和超聲波信號(hào)衰減不顯著的區(qū)域分別取樣進(jìn)行體視顯微鏡下的對(duì)照觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：超聲波信號(hào)衰減顯著區(qū)域、衰減不顯著區(qū)域均不存在孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷；超聲波信號(hào)衰減顯著區(qū)域?qū)?yīng)的橡膠層平均厚度為1.337 mm，而超聲波信號(hào)衰減不顯著區(qū)域?qū)?yīng)的橡膠層平均厚度為1.109 mm，兩個(gè)區(qū)域橡膠層的平均厚度相差0.228 mm。與前期的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步印證，超聲波信號(hào)顯著衰減是由橡膠的衰減系數(shù)大及此區(qū)域橡膠層厚度較厚引起。

(a) 1#衰減不顯著區(qū)域

(b) 2#衰減顯著區(qū)域圖3 體視顯微鏡下觀察圖像

將試樣再在金相顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖4所示。

(a) 1#衰減不顯著區(qū)域

(b) 2#衰減顯著區(qū)域圖4 金相觀察圖

從圖4可以看出，超聲波信號(hào)衰減顯著區(qū)域、衰減不顯著區(qū)域均不存在孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷；同時(shí)兩個(gè)區(qū)域在橡膠層厚度上有所差異。這和體視顯微鏡下的觀察結(jié)果一致。

2.3 不同測(cè)試頻率下的超聲C掃描

聲波的吸收是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、黏滯性和彈性滯后造成的，聲波的吸收隨聲波頻率升高而增加[15]。橡膠材料導(dǎo)熱性差，具有黏滯性、高彈性，這些特性導(dǎo)致橡膠材料的吸收較大。丁腈橡膠在5 MHz下的衰減系數(shù)為5.6 dB/mm[14]51，而一般樹(shù)脂基復(fù)合材料的衰減系數(shù)僅為1.6～2.4 dB/mm[16]33，是一般樹(shù)脂基復(fù)合材料衰減系數(shù)的2～3.5倍。因此考慮降低超聲波的頻率來(lái)降低橡膠的吸收。根據(jù)GJB 1038.1A-2004《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)損檢驗(yàn)方法 第1部分 超聲波檢驗(yàn)》[17]，模壓件推薦采用的平探頭頻率為0.1～5 MHz。常俊杰等[8]57利用超聲回波法測(cè)試橡膠材料(丁苯橡膠、乙丙橡膠、順丁橡膠)的損耗角正切值(tanδ)時(shí)，所用縱波超聲探頭的中心頻率為1 MHz；用超聲無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)乙丙橡膠的動(dòng)態(tài)黏彈性時(shí)[9]547，所用探頭頻率選用的也為1 MHz。因此，這里也選擇頻率為1 MHz的探頭進(jìn)行研究。將被解剖零件、預(yù)制缺陷對(duì)比試塊再次進(jìn)行超聲C掃描，結(jié)果如圖5所示。

圖5 被解剖零件、預(yù)制缺陷對(duì)比試塊在不同測(cè)試頻率下的超聲C掃描圖像

從圖5可以看出，原來(lái)用5 MHz探頭掃描顯示超聲波衰減顯著的區(qū)域，換用1 MHz平探頭進(jìn)行掃描后，超聲波信號(hào)衰減已不再顯著，而對(duì)比試塊中的預(yù)制缺陷無(wú)論在5 MHz，還是1 MHz下的超聲C掃描均清晰顯示為顯著吸收。這也充分說(shuō)明，用5 MHz掃描顯示超聲波信號(hào)衰減顯著的區(qū)域，并不存在真的孔洞、界面分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。

超聲波頻率在很大程度上決定了超聲波對(duì)缺陷的探測(cè)能力，頻率高時(shí)，波長(zhǎng)短、擴(kuò)散角小、能量集中，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強(qiáng)，分辨力好，缺陷定位準(zhǔn)確[16]27。但聲波的吸收隨頻率升高而增加，對(duì)聲波吸收大的橡膠制品來(lái)說(shuō)，檢測(cè)頻率不應(yīng)該是越高越好，應(yīng)根據(jù)要求檢出的最小缺陷、成型工藝、產(chǎn)品厚度、材料聲衰減特性事先研究后再謹(jǐn)慎選定。因此在實(shí)際的產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程中，需要根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的特性，合理的選擇探頭頻率，以免造成誤判，對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷，應(yīng)核實(shí)缺陷的存在及缺陷尺寸大小。

3 結(jié) 論

采用頻率為5 MHz 的探頭對(duì)織物增強(qiáng)橡膠件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在超聲波聲能衰減顯著的區(qū)域，但此區(qū)域不存在孔洞、分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷，采用SLM、金相觀察也未發(fā)現(xiàn)孔洞、分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷。此區(qū)域橡膠厚度較厚、橡膠的衰減系數(shù)大共同導(dǎo)致了超聲波聲能的顯著衰減。換用頻率為1 MHz 的探頭進(jìn)行超聲波C掃描后，發(fā)現(xiàn)原來(lái)超聲波信號(hào)衰減顯著的區(qū)域已不再顯著。因此對(duì)橡膠制品來(lái)說(shuō)，適當(dāng)降低檢測(cè)用探頭頻率，可以減少由此帶來(lái)的誤判。