PMI泡沫复合材料夹层结构的无损检测方法

 
前言

       简单的夹层结构由三部分组成：面板，芯材和胶接，通过胶接在前面两个组分之间传递载荷。夹层结构能够达到的作用是通过让轻质、有一定厚度的芯材承受剪应力，同时将两个相对比较坚韧、薄的承载面板隔开。

图1，相同面板材料夹层结构的机理


图2，ROHACELL泡沫结构

对于面板，主要考虑的是材料的强度和刚度，但是对于芯材，主要目的是为了最大幅度的减轻重量。在飞机结构中，芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX®蜂窝。铝蜂窝或NOMEX®蜂窝，具有压缩模量高，重量轻的优点，是航空领域广泛使用夹芯材料，通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用。这里主要讨论泡沫芯材夹层结构的无损检测。在先进复合材料领域，最常用的夹层结构的芯材是PMI泡沫，ROHACELL®是赢创德固赛公司生产的PMI泡沫，参见图2。泡沫芯材夹层结构常用在机翼前缘和方向舵，起落架舱门，翼身/翼尖整流罩等。

 和蜂窝夹层结构相似，泡沫复合材料常见的缺陷有：

        1. 复合材料面板的缺陷，例如划伤、裂纹、气孔，夹杂等

       2. 复合材料面板和泡沫芯材的粘接缺陷，例如脱粘

       3. 泡沫芯的损坏

针对这些缺陷, 相应地发展起了多种无损检测方法。不过, 泡沫夹层结构一般面板的检测面积大、厚度薄, 而且呈现低的导热性和导电性、泡沫材料的声衰减较大，所以, 其与一般复合材料的无损检测具有明显差别。目前，适用于PMI泡沫夹芯结构的无损检测方法主要有超声无损检测和激光错位散斑干涉无损检测^[1,2] 。

一、空气耦合超声无损检测^[4,5]

       复合材料最常用的无损检测方法是超声检测。测量出的超声参数包含大量复合材料质量的相关信息。通常，用超声方法可以检测复合材料结构中的分层、夹杂、树脂疏松与裂纹、气孔等。波的参数，包括声衰减和速度，可以用来确定材料的性能，例如孔隙率、刚度等，如果已知密度，可以得到材料的刚度。材料的声阻抗，其中是材料的密度，是材料中声音传播的速度。

    声强反射率R， ，R是界面上的反射波的声强I_Y与入射波的声强I₀的比值.

表1、材料的超声反射特性

为使超声波以常用的压电转换器为声源进入试件，一般需用耦合剂，耦合剂的作用是让超声有效地传入工件。由于空气和一般的复合材料或者金属工件的声特性阻抗有很大的不同，参见表1。这导致大部分声能在界面处被反射，只有很少的一部分能进入工件，从而使空气耦合检测的范围收到了极大的限制，一般只能进行外部检测，如距离测量等。用于内部检测时则仅限于低密度材料，由于这些材料的声特性阻抗较低，例如ROHACELL® PMI HP60泡沫声阻抗是7005 g/cm2s，因此超声的透射系数比较大。空气耦合超声检测通常采用的频率范围是（25－250）kHz，也可以扩展到500kHz-2.25MHz。另外有些检测件，不宜与水接触，例如蜂窝夹层结构，这时也选择空气作为耦合剂来进行超声检测。

 芯材的表面粗糙度对声耦合有明显的影响。对于同一耦合剂，如果工件的表面粗糙度高，则耦合效果差，反射回波低。声阻抗低的耦合剂，例如空气耦合，随粗糙度的升高，耦合效果降低得更快。在泡沫夹层结构复合材料中，泡沫孔隙的大小对超声回波的质量有所影响。ROHACELL泡沫的直径如表2和图4所示。孔隙的直径越小，超声回波的质量越好。

图3，泡沫芯材和纤维树脂复合材料的界面


表2，PMI泡沫孔隙直径范围


ROHACELL^® WF


ROHACELL^® RIST


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

对泡沫夹层结构的检测，在利用空气耦合超声检测穿透法进行检测时，采用高声压值补偿损失和低的频率的影响，通常取50kHz，有些情况下100 kHz。如图5所示，采用两个探头，一个用于发射，一个用于接受，分置在工件两侧进行探测，依据脉冲波或者连续波穿透工件以后的能量变化来判定缺陷的情况。

图5 空气耦合超声穿透法无损检测原理




图6 泡沫夹芯壳结构的空气耦合超声检测

如图6所示，对经过冲击试验的泡沫芯材夹层壳结构，利用空气耦合超声进行检测。从C扫描图上可以明显看出长桁脱粘。

德固赛公司曾委托美国QMI公司对预制缺陷的ROHACELL®泡沫夹层结构板进行空气耦合超声检测[4]。第一阶段的试验，检测的缺陷试件包括碳纤维面板、铝面板和芯材之间不同直径的脱粘情况，以及没有面板的情况下的两块粘接在一起的泡沫之间的脱粘情况。针对不同的频率、探头布置方式，利用C显示，可以检测出碳纤维面板和泡沫芯材之间1/16 inch－3/4 inch直径的脱粘缺陷；能够检测出铝面板和泡沫芯材之间的脱粘以及泡沫之间的粘接脱粘缺陷。

第二阶段的测试件的芯材为两块50mm厚的ROHACELL® 51WF泡沫胶粘在一起，如图7所示，试件上预制了各种缺陷。因为泡沫材料本身的不均匀性，泡沫孔壁和孔隙之间界面的存在，造成了泡沫材料本身含有声阻抗急剧变化的界面，所以导致了很大的散射衰减。在225kHz和400kHz频率下的超声检测试验均告失败，信号全部衰减。QMI公司采用超声频率为120kHz，合适的探头布置，QMI公司得到的C扫描图像如图8所示。

图7，预制缺陷的泡沫芯材夹层板试件


图8，预制缺陷的泡沫芯材夹层板的超声空气耦合C扫描图像

这里，缺陷的预定义方式，采用的是通常水耦合超声的途径，即剥离膜。这本身很难被空气耦合超声检测。如果采用正确的方式预定义缺陷样件，空气耦合超声无损检测适用于PMI泡沫夹层结构。

二、脉冲回波超声无损检测

图9 通过超声回波间隔确定缺陷位置

这里所说的脉冲回波法通常是采用水作为耦合剂。脉冲反射法是通过测量待测结构的缺陷处和背面反射的能量来判断的。脉冲超声波入射到被测工件, 有一部分被反射, 这部分反射波可以被接收; 另一部分穿过工件, 再从工件的底面反射且再次穿过工件, 这部分反射波也可以接收。采用这种方法时,超声波要两次穿过工件, 并要检测反射回来的回波,所以也叫脉冲回波法，如图9所示。

通过脉冲回波法可以检测泡沫和面板之间的粘接

       图10为采用该方法检测泡沫结构泡沫和面板之间粘接的三种典型情况的示意图。图10 (b) 是蒙皮与胶层之间出现脱粘的波形, 这种情况和单板相似。由于蒙皮和空气界面间声阻抗变化很大, 因而蒙皮界面有很强的反射能力, 造成入射脉冲信号在板内多次反射, 并维持较长时间, 信号衰减较为缓慢。当胶层和泡沫之间出现脱粘时, 波形如图10 (c) 所示。此时, 蒙皮与空气的界面消失了, 代之以较为微弱的声阻抗变化, 因而大部分脉冲信号能输入到胶层而消失, 脉冲信号衰减很快, 显示波形只有少数几个;当蒙皮与泡沫芯粘接良好时, 波形如图10(a) 所示,除了出现胶层的阻尼效应以外, 由于声能传输到泡沫, 而又反射回探头, 所以衰减速度较图10 (c)缓慢而比图10 (b) 快。在实际检验中, 用标准样件作对比就可以方便地检测出缺陷来。

图10，泡沫夹层结构三种典型情况的波形图

通过回波强度还可以确定泡沫夹层结构复合材料面板的孔隙率

       对泡沫芯材复合材料夹层结构，复合材料面板的高孔隙率会导致结构刚度和强度的下降，因此在对复合材料结构进行线上质检时，一定要对其孔隙率进行充分检测。对于ROHACELL® RIMA / HP泡沫夹层结构，由于这两种泡沫的孔隙均匀细密，其可以在复合材料脉冲回波超声无损检测中可以实现均匀的超声反射，作为超声波的均匀反射面来检测复合材料面板的孔隙率和纤维含量[5]。

三、激光错位散斑干涉无损检测^[6]

       激光错位散斑(Laser Shearography)技术也称剪切散斑技术，是20世纪80年代兴起的用于表面变形测量的新型光学检测技术。该技术用于无损检测的原理与激光全息干涉类似，都是通过对待测物体加载，观察缺陷表面异常变形所产生的异常光学干涉条纹来判断缺陷特征。与激光全息检测相比，错位散斑技术操作方便、检测效率高。

 Shearography不仅光学干涉装置比较简单，而且对刚体运动和机械噪声不敏感，对系统的隔震要求也不高，Shearography较ESPI更适合于如生产线上的现场检验。与非光测技术相比，如C扫描，Shearography是非接触式的，不需要任何介质，而且速度快，适合于工程结构，特别是大型结构的现场无损检测，这是C扫描难以做到的。

图11，激光错位散斑干涉无损检测的原理

如图11所示，用激光对未加载的带缺陷夹层板表面进行照射，因为夹层板表面的各个点都会在光学传感器上投影两次，所以会产生光学干涉现象。如果对带有内部缺陷的夹层板进行某种形式的加载，则缺陷的存在会使夹层板表面产生微小的变形，此时激光反射得到的干涉图像与未加载或无缺陷时的干涉图像不同[6]。从而可以判断缺陷的存在与否和位置。

德固赛公司曾向美国激光技术公司（LTI）提交了两块ROHACELL®泡沫板材进行激光错位散斑干涉无损检测，其目的是确定激光错位散斑干涉检测对预制板材缺陷的敏感度[7]。德固赛公司在制造板材的过程中预制了各种缺陷，用来确定各种加载方法下激光错位散斑干涉技术的缺陷检测能力。 美国激光技术公司则引入各种深度和尺寸的缺陷，来确定检测敏感度与缺陷深度的关系。提交检测的两个试件都带有预制缺陷，且都是用两块53.3mm厚度的ROHACELL®泡沫胶接在一起制成的。

 1号试件的尺寸是400mm×267mm×107mm，上下面板是碳纤维/环氧树脂预浸料层压板。一个0.254 mm厚的金属片被从夹芯板侧面压入到芯材中，并以此来确定激光错位散斑干涉检测对不同深度缺陷的敏感度。图9所示为1号试件的设定缺陷的位置，常见图12。
 

图12 德固赛公司激光错位散斑干涉无损评价的预制缺陷夹芯板试验


图13 通过激光错位散斑干涉方法检测到的夹层板缺陷

1号试件的试验结果如图13所示，激光错位散斑干涉采用真空加载可以透过53.3mm厚度的泡沫检测到25.4mm直径的脱粘；以及面板到芯材12.5mm厚度内设定的各种缺陷。热加载可以检测到很多设定的面板缺陷。激光错位散斑干涉检测方法无法定位某些脱粘缺陷。

       2号试件的尺寸是400mm×267mm×107mm泡沫板，无上下面板。由于泡沫的穿透性和表面的粗糙性，激光错位散斑干涉无法用于检测无面板ROHACELL泡沫（2号试件），但是只要一侧有面板，就可以使用该方法进行检测。

四、结论

       a) 空气耦合超声可以用来检测泡沫夹层结构中面板的缺陷，面板和芯材之间的脱粘以及芯材的缺陷。

       b) 超声脉冲回波超声方法可以用来检测泡沫夹层结构复合材料面板的孔隙率和面板和芯材之间的脱粘。

        c) 激光错位散斑干涉无损检测可以检测泡沫夹层结构的近表面缺陷。相比其它检测设备，检测效率高，检测成本低，对周围环境没有严格的要求。但是影响检测结果的因素很多，位错的大小和方向，加热的时间，操作人员的经验等因素都会对结果产生一定的影响。