前言

       簡單的夾層結(jié)構(gòu)由三部分組成：面板，芯材和膠接，通過膠接在前面兩個組分之間傳遞載荷。夾層結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到的作用是通過讓輕質(zhì)、有一定厚度的芯材承受剪應(yīng)力，同時(shí)將兩個相對比較堅(jiān)韌、薄的承載面板隔開。

圖1，相同面板材料夾層結(jié)構(gòu)的機(jī)理


圖2，ROHACELL泡沫結(jié)構(gòu)

對于面板，主要考慮的是材料的強(qiáng)度和剛度，但是對于芯材，主要目的是為了最大幅度的減輕重量。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，芯材通常使用鋁蜂窩、泡沫或NOMEX®蜂窩。鋁蜂窩或NOMEX®蜂窩，具有壓縮模量高，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是航空領(lǐng)域廣泛使用夾芯材料，通常與碳/玻璃纖維預(yù)浸料一起使用。這里主要討論泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)的無損檢測。在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域，最常用的夾層結(jié)構(gòu)的芯材是PMI泡沫，ROHACELL®是贏創(chuàng)德固賽公司生產(chǎn)的PMI泡沫，參見圖2。泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)常用在機(jī)翼前緣和方向舵，起落架艙門，翼身/翼尖整流罩等。

 和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相似，泡沫復(fù)合材料常見的缺陷有：

        1. 復(fù)合材料面板的缺陷，例如劃傷、裂紋、氣孔，夾雜等

       2. 復(fù)合材料面板和泡沫芯材的粘接缺陷，例如脫粘

       3. 泡沫芯的損壞

針對這些缺陷, 相應(yīng)地發(fā)展起了多種無損檢測方法。不過, 泡沫夾層結(jié)構(gòu)一般面板的檢測面積大、厚度薄, 而且呈現(xiàn)低的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、泡沫材料的聲衰減較大，所以, 其與一般復(fù)合材料的無損檢測具有明顯差別。目前，適用于PMI泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的無損檢測方法主要有超聲無損檢測和激光錯位散斑干涉無損檢測^[1,2] 。

一、空氣耦合超聲無損檢測^[4,5]

       復(fù)合材料最常用的無損檢測方法是超聲檢測。測量出的超聲參數(shù)包含大量復(fù)合材料質(zhì)量的相關(guān)信息。通常，用超聲方法可以檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的分層、夾雜、樹脂疏松與裂紋、氣孔等。波的參數(shù)，包括聲衰減和速度，可以用來確定材料的性能，例如孔隙率、剛度等，如果已知密度，可以得到材料的剛度。材料的聲阻抗，其中是材料的密度，是材料中聲音傳播的速度。

    聲強(qiáng)反射率R， ，R是界面上的反射波的聲強(qiáng)I_Y與入射波的聲強(qiáng)I₀的比值.

表1、材料的超聲反射特性

為使超聲波以常用的壓電轉(zhuǎn)換器為聲源進(jìn)入試件，一般需用耦合劑，耦合劑的作用是讓超聲有效地傳入工件。由于空氣和一般的復(fù)合材料或者金屬工件的聲特性阻抗有很大的不同，參見表1。這導(dǎo)致大部分聲能在界面處被反射，只有很少的一部分能進(jìn)入工件，從而使空氣耦合檢測的范圍收到了極大的限制，一般只能進(jìn)行外部檢測，如距離測量等。用于內(nèi)部檢測時(shí)則僅限于低密度材料，由于這些材料的聲特性阻抗較低，例如ROHACELL® PMI HP60泡沫聲阻抗是7005 g/cm2s，因此超聲的透射系數(shù)比較大?？諝怦詈铣暀z測通常采用的頻率范圍是（25－250）kHz，也可以擴(kuò)展到500kHz-2.25MHz。另外有些檢測件，不宜與水接觸，例如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，這時(shí)也選擇空氣作為耦合劑來進(jìn)行超聲檢測。

 芯材的表面粗糙度對聲耦合有明顯的影響。對于同一耦合劑，如果工件的表面粗糙度高，則耦合效果差，反射回波低。聲阻抗低的耦合劑，例如空氣耦合，隨粗糙度的升高，耦合效果降低得更快。在泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，泡沫孔隙的大小對超聲回波的質(zhì)量有所影響。ROHACELL泡沫的直徑如表2和圖4所示?？紫兜闹睆皆叫?，超聲回波的質(zhì)量越好。

圖3，泡沫芯材和纖維樹脂復(fù)合材料的界面


表2，PMI泡沫孔隙直徑范圍


ROHACELL^® WF


ROHACELL^® RIST


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

對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的檢測，在利用空氣耦合超聲檢測穿透法進(jìn)行檢測時(shí)，采用高聲壓值補(bǔ)償損失和低的頻率的影響，通常取50kHz，有些情況下100 kHz。如圖5所示，采用兩個探頭，一個用于發(fā)射，一個用于接受，分置在工件兩側(cè)進(jìn)行探測，依據(jù)脈沖波或者連續(xù)波穿透工件以后的能量變化來判定缺陷的情況。

圖5 空氣耦合超聲穿透法無損檢測原理




圖6 泡沫夾芯殼結(jié)構(gòu)的空氣耦合超聲檢測

如圖6所示，對經(jīng)過沖擊試驗(yàn)的泡沫芯材夾層殼結(jié)構(gòu)，利用空氣耦合超聲進(jìn)行檢測。從C掃描圖上可以明顯看出長桁脫粘。

德固賽公司曾委托美國QMI公司對預(yù)制缺陷的ROHACELL®泡沫夾層結(jié)構(gòu)板進(jìn)行空氣耦合超聲檢測[4]。第一階段的試驗(yàn)，檢測的缺陷試件包括碳纖維面板、鋁面板和芯材之間不同直徑的脫粘情況，以及沒有面板的情況下的兩塊粘接在一起的泡沫之間的脫粘情況。針對不同的頻率、探頭布置方式，利用C顯示，可以檢測出碳纖維面板和泡沫芯材之間1/16 inch－3/4 inch直徑的脫粘缺陷；能夠檢測出鋁面板和泡沫芯材之間的脫粘以及泡沫之間的粘接脫粘缺陷。

第二階段的測試件的芯材為兩塊50mm厚的ROHACELL® 51WF泡沫膠粘在一起，如圖7所示，試件上預(yù)制了各種缺陷。因?yàn)榕菽牧媳旧淼牟痪鶆蛐裕菽妆诤涂紫吨g界面的存在，造成了泡沫材料本身含有聲阻抗急劇變化的界面，所以導(dǎo)致了很大的散射衰減。在225kHz和400kHz頻率下的超聲檢測試驗(yàn)均告失敗，信號全部衰減。QMI公司采用超聲頻率為120kHz，合適的探頭布置，QMI公司得到的C掃描圖像如圖8所示。

圖7，預(yù)制缺陷的泡沫芯材夾層板試件


圖8，預(yù)制缺陷的泡沫芯材夾層板的超聲空氣耦合C掃描圖像

這里，缺陷的預(yù)定義方式，采用的是通常水耦合超聲的途徑，即剝離膜。這本身很難被空氣耦合超聲檢測。如果采用正確的方式預(yù)定義缺陷樣件，空氣耦合超聲無損檢測適用于PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)。

二、脈沖回波超聲無損檢測

圖9 通過超聲回波間隔確定缺陷位置

這里所說的脈沖回波法通常是采用水作為耦合劑。脈沖反射法是通過測量待測結(jié)構(gòu)的缺陷處和背面反射的能量來判斷的。脈沖超聲波入射到被測工件, 有一部分被反射, 這部分反射波可以被接收; 另一部分穿過工件, 再從工件的底面反射且再次穿過工件, 這部分反射波也可以接收。采用這種方法時(shí),超聲波要兩次穿過工件, 并要檢測反射回來的回波,所以也叫脈沖回波法，如圖9所示。

通過脈沖回波法可以檢測泡沫和面板之間的粘接

       圖10為采用該方法檢測泡沫結(jié)構(gòu)泡沫和面板之間粘接的三種典型情況的示意圖。圖10 (b) 是蒙皮與膠層之間出現(xiàn)脫粘的波形, 這種情況和單板相似。由于蒙皮和空氣界面間聲阻抗變化很大, 因而蒙皮界面有很強(qiáng)的反射能力, 造成入射脈沖信號在板內(nèi)多次反射, 并維持較長時(shí)間, 信號衰減較為緩慢。當(dāng)膠層和泡沫之間出現(xiàn)脫粘時(shí), 波形如圖10 (c) 所示。此時(shí), 蒙皮與空氣的界面消失了, 代之以較為微弱的聲阻抗變化, 因而大部分脈沖信號能輸入到膠層而消失, 脈沖信號衰減很快, 顯示波形只有少數(shù)幾個;當(dāng)蒙皮與泡沫芯粘接良好時(shí), 波形如圖10(a) 所示,除了出現(xiàn)膠層的阻尼效應(yīng)以外, 由于聲能傳輸?shù)脚菽? 而又反射回探頭, 所以衰減速度較圖10 (c)緩慢而比圖10 (b) 快。在實(shí)際檢驗(yàn)中, 用標(biāo)準(zhǔn)樣件作對比就可以方便地檢測出缺陷來。

圖10，泡沫夾層結(jié)構(gòu)三種典型情況的波形圖

通過回波強(qiáng)度還可以確定泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面板的孔隙率

       對泡沫芯材復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料面板的高孔隙率會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的下降，因此在對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行線上質(zhì)檢時(shí)，一定要對其孔隙率進(jìn)行充分檢測。對于ROHACELL® RIMA / HP泡沫夾層結(jié)構(gòu)，由于這兩種泡沫的孔隙均勻細(xì)密，其可以在復(fù)合材料脈沖回波超聲無損檢測中可以實(shí)現(xiàn)均勻的超聲反射，作為超聲波的均勻反射面來檢測復(fù)合材料面板的孔隙率和纖維含量[5]。

三、激光錯位散斑干涉無損檢測^[6]

       激光錯位散斑(Laser Shearography)技術(shù)也稱剪切散斑技術(shù)，是20世紀(jì)80年代興起的用于表面變形測量的新型光學(xué)檢測技術(shù)。該技術(shù)用于無損檢測的原理與激光全息干涉類似，都是通過對待測物體加載，觀察缺陷表面異常變形所產(chǎn)生的異常光學(xué)干涉條紋來判斷缺陷特征。與激光全息檢測相比，錯位散斑技術(shù)操作方便、檢測效率高。

 Shearography不僅光學(xué)干涉裝置比較簡單，而且對剛體運(yùn)動和機(jī)械噪聲不敏感，對系統(tǒng)的隔震要求也不高，Shearography較ESPI更適合于如生產(chǎn)線上的現(xiàn)場檢驗(yàn)。與非光測技術(shù)相比，如C掃描，Shearography是非接觸式的，不需要任何介質(zhì)，而且速度快，適合于工程結(jié)構(gòu)，特別是大型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場無損檢測，這是C掃描難以做到的。

圖11，激光錯位散斑干涉無損檢測的原理

如圖11所示，用激光對未加載的帶缺陷夾層板表面進(jìn)行照射，因?yàn)閵A層板表面的各個點(diǎn)都會在光學(xué)傳感器上投影兩次，所以會產(chǎn)生光學(xué)干涉現(xiàn)象。如果對帶有內(nèi)部缺陷的夾層板進(jìn)行某種形式的加載，則缺陷的存在會使夾層板表面產(chǎn)生微小的變形，此時(shí)激光反射得到的干涉圖像與未加載或無缺陷時(shí)的干涉圖像不同[6]。從而可以判斷缺陷的存在與否和位置。

德固賽公司曾向美國激光技術(shù)公司（LTI）提交了兩塊ROHACELL®泡沫板材進(jìn)行激光錯位散斑干涉無損檢測，其目的是確定激光錯位散斑干涉檢測對預(yù)制板材缺陷的敏感度[7]。德固賽公司在制造板材的過程中預(yù)制了各種缺陷，用來確定各種加載方法下激光錯位散斑干涉技術(shù)的缺陷檢測能力。 美國激光技術(shù)公司則引入各種深度和尺寸的缺陷，來確定檢測敏感度與缺陷深度的關(guān)系。提交檢測的兩個試件都帶有預(yù)制缺陷，且都是用兩塊53.3mm厚度的ROHACELL®泡沫膠接在一起制成的。

 1號試件的尺寸是400mm×267mm×107mm，上下面板是碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料層壓板。一個0.254 mm厚的金屬片被從夾芯板側(cè)面壓入到芯材中，并以此來確定激光錯位散斑干涉檢測對不同深度缺陷的敏感度。圖9所示為1號試件的設(shè)定缺陷的位置，常見圖12。
 

圖12 德固賽公司激光錯位散斑干涉無損評價(jià)的預(yù)制缺陷夾芯板試驗(yàn)


圖13 通過激光錯位散斑干涉方法檢測到的夾層板缺陷

1號試件的試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，激光錯位散斑干涉采用真空加載可以透過53.3mm厚度的泡沫檢測到25.4mm直徑的脫粘；以及面板到芯材12.5mm厚度內(nèi)設(shè)定的各種缺陷。熱加載可以檢測到很多設(shè)定的面板缺陷。激光錯位散斑干涉檢測方法無法定位某些脫粘缺陷。

       2號試件的尺寸是400mm×267mm×107mm泡沫板，無上下面板。由于泡沫的穿透性和表面的粗糙性，激光錯位散斑干涉無法用于檢測無面板ROHACELL泡沫（2號試件），但是只要一側(cè)有面板，就可以使用該方法進(jìn)行檢測。

四、結(jié)論

       a) 空氣耦合超聲可以用來檢測泡沫夾層結(jié)構(gòu)中面板的缺陷，面板和芯材之間的脫粘以及芯材的缺陷。

       b) 超聲脈沖回波超聲方法可以用來檢測泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料面板的孔隙率和面板和芯材之間的脫粘。

        c) 激光錯位散斑干涉無損檢測可以檢測泡沫夾層結(jié)構(gòu)的近表面缺陷。相比其它檢測設(shè)備，檢測效率高，檢測成本低，對周圍環(huán)境沒有嚴(yán)格的要求。但是影響檢測結(jié)果的因素很多，位錯的大小和方向，加熱的時(shí)間，操作人員的經(jīng)驗(yàn)等因素都會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。