采用超聲波相控陣技術評估復合材料結(jié)構內(nèi)部損傷

供稿人:張亞園、田小永

由于復合材料的結(jié)構復雜性，對其內(nèi)部損傷進行無損檢測（NDT）對于我們來說仍是一項挑戰(zhàn)。目前，西班牙Castilla-La Mancha大學的研究團隊使用相控陣超聲檢測技術來識別和評估復合材料層壓板制造缺陷和內(nèi)部損傷情況。

本研究中使用MarkForged Two 3D打印機，以Markforged公司提供的尼龍和碳纖維為原材料，制備碳纖維增強尼龍復合材料層壓板，然后手工鋪設在寬300mm，長300mm的板上，采用不同的堆疊順序，以評估纖維取向在超聲波傳播中的影響，并且各堆疊序列由兩種不同的板制造，一種沒有內(nèi)部缺陷，其他具有不同的人工內(nèi)含物，具體分布如圖1所示。

圖1.嵌入式人工缺陷：a）PTFE（聚四氟乙烯）剝離織物和噴霧，鋁和剝離層夾雜物b）碳纖維增強塑料復合材料層壓板中不同深度層間嵌入夾雜物的分布

該裝置的大致工作原理為使用具有64個元件的相位陣列換能器的Olympus OmniScan MX2設備以5MHz進行相控陣超聲波檢測。由于多元素信號聚焦，該裝置顯示出較好的衰減特性和超聲信號的分辨率，而內(nèi)部損傷則相當于障礙物，阻斷了發(fā)射波的路徑，引起折射、反射和衍射現(xiàn)象。基于這樣的原理，通過對比掃描圖像結(jié)果來表征層壓板內(nèi)部損傷情況。

圖2.相控陣超聲檢測的實驗裝置:a）相控陣換能器以及光柵掃描方案的細節(jié). b）沒有人工夾雜物的未損壞的CFRP層壓板的振幅和深度分布的超聲C掃描圖像。
從測試結(jié)果可以看出，相對于未損傷的層合板來說，加入人工夾雜物的層合板均表現(xiàn)出了振幅的不連續(xù)跡象，也即是證明了識別出了層合板中的缺陷存在。此外，夾雜物深度的不同也在檢測結(jié)果圖中體現(xiàn)了出來。

圖3.在CFRP層壓板（下層）中嵌入PTFE噴涂人工夾雜物的超聲相控陣C掃描圖像：a）[0]₈層壓板，b）[45]₈層壓板和c）[0/90 /±45] s層壓板
隨著纖維增強熱塑性復合材料在工業(yè)應用中變得越來越重要，該項技術也擁有了很大的應用前景，可以提高我們對復合材料中損傷識別的更進一步理解。今后可以廣泛應用于航空航天等工業(yè)領域中。

參考文獻：
M.A.Caminero, I.García-Moreno, G.P.Rodríguez, J.M.Chacón. Internal damage evaluation of composite structures using phased array ultrasonic technique: Impact damage assessment in CFRP and 3D printed reinforced composites. Composites Part B 165 (2019) 131–142.

供稿人:張亞園、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室