采用超聲波相控陣技術(shù)評(píng)估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷

供稿人:張亞園、田小永

由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，對(duì)其內(nèi)部損傷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（NDT）對(duì)于我們來(lái)說(shuō)仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。目前，西班牙Castilla-La Mancha大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)來(lái)識(shí)別和評(píng)估復(fù)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(jī)，以Markforged公司提供的尼龍和碳纖維為原材料，制備碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料層壓板，然后手工鋪設(shè)在寬300mm，長(zhǎng)300mm的板上，采用不同的堆疊順序，以評(píng)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(qiáng)塑料復(fù)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(gè)元件的相位陣列換能器的Olympus OmniScan MX2設(shè)備以5MHz進(jìn)行相控陣超聲波檢測(cè)。由于多元素信號(hào)聚焦，該裝置顯示出較好的衰減特性和超聲信號(hào)的分辨率，而內(nèi)部損傷則相當(dāng)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(guò)對(duì)比掃描圖像結(jié)果來(lái)表征層壓板內(nèi)部損傷情況。

圖2.相控陣超聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置:a）相控陣換能器以及光柵掃描方案的細(xì)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(cè)試結(jié)果可以看出，相對(duì)于未損傷的層合板來(lái)說(shuō)，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(shí)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(cè)結(jié)果圖中體現(xiàn)了出來(lái)。

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(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用中變得越來(lái)越重要，該項(xiàng)技術(shù)也擁有了很大的應(yīng)用前景，可以提高我們對(duì)復(fù)合材料中損傷識(shí)別的更進(jìn)一步理解。今后可以廣泛應(yīng)用于航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：
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(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室