采用超声波相控阵技术评估复合材料结构内部损伤

供稿人:张亚园、田小永

由于复合材料的结构复杂性，对其内部损伤进行无损检测（NDT）对于我们来说仍是一项挑战。目前，西班牙Castilla-La Mancha大学的研究团队使用相控阵超声检测技术来识别和评估复合材料层压板制造缺陷和内部损伤情况。

本研究中使用MarkForged Two 3D打印机，以Markforged公司提供的尼龙和碳纤维为原材料，制备碳纤维增强尼龙复合材料层压板，然后手工铺设在宽300mm，长300mm的板上，采用不同的堆叠顺序，以评估纤维取向在超声波传播中的影响，并且各堆叠序列由两种不同的板制造，一种没有内部缺陷，其他具有不同的人工内含物，具体分布如图1所示。

图1.嵌入式人工缺陷：a）PTFE（聚四氟乙烯）剥离织物和喷雾，铝和剥离层夹杂物b）碳纤维增强塑料复合材料层压板中不同深度层间嵌入夹杂物的分布

该装置的大致工作原理为使用具有64个元件的相位阵列换能器的Olympus OmniScan MX2设备以5MHz进行相控阵超声波检测。由于多元素信号聚焦，该装置显示出较好的衰减特性和超声信号的分辨率，而内部损伤则相当于障碍物，阻断了发射波的路径，引起折射、反射和衍射现象。基于这样的原理，通过对比扫描图像结果来表征层压板内部损伤情况。

图2.相控阵超声检测的实验装置:a）相控阵换能器以及光栅扫描方案的细节. b）没有人工夹杂物的未损坏的CFRP层压板的振幅和深度分布的超声C扫描图像。
从测试结果可以看出，相对于未损伤的层合板来说，加入人工夹杂物的层合板均表现出了振幅的不连续迹象，也即是证明了识别出了层合板中的缺陷存在。此外，夹杂物深度的不同也在检测结果图中体现了出来。

图3.在CFRP层压板（下层）中嵌入PTFE喷涂人工夹杂物的超声相控阵C扫描图像：a）[0]₈层压板，b）[45]₈层压板和c）[0/90 /±45] s层压板
随着纤维增强热塑性复合材料在工业应用中变得越来越重要，该项技术也拥有了很大的应用前景，可以提高我们对复合材料中损伤识别的更进一步理解。今后可以广泛应用于航空航天等工业领域中。

参考文献：
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:张亚园、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室