三維編織復(fù)合材料是采用編織技術(shù)織造的纖維編織物作為增強(qiáng)體，經(jīng)樹脂傳遞模塑法（RTM）將樹脂注入預(yù)成型件，最終固化成型的新型復(fù)合材料。
和傳統(tǒng)的復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)不同，三維編織復(fù)合材料的空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從根本上避免了分層損傷的產(chǎn)生，且抗沖擊能力明顯增強(qiáng)。三維編織復(fù)合材料在保持了構(gòu)件承載變形的整體性的同時(shí)，還具有比強(qiáng)度高、比模量大、易于一次成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、船舶領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。
采用多種頻率的超聲波對(duì)三維編織復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合比對(duì)分析，旨在分析多頻率超聲綜合比對(duì)法對(duì)材料內(nèi)部缺陷定性定量檢測(cè)的可行性。結(jié)果表明，多頻超聲雖無(wú)法對(duì)內(nèi)部孔隙進(jìn)行定量檢測(cè)，但可以對(duì)其分布情況進(jìn)行判斷。
三維編織復(fù)合材料的制造工藝
常見的三維編織方法分為四步編織法、二步編織法和多層聯(lián)鎖編織法。其中，四步編織法應(yīng)用最為廣泛。因?yàn)樗牟骄幙椃ńY(jié)構(gòu)中所有紗線在空間中的分布有4個(gè)不同的方向，所以制成的復(fù)合材料被稱為三維四向編織復(fù)合材料。
二步編織法的特點(diǎn)是編織過(guò)程中編織紗的運(yùn)動(dòng)以兩步為一個(gè)編織循環(huán)。在編織過(guò)程中，編織紗在攜紗器的攜帶下，將沿軸向排列的軸紗捆綁到一起，構(gòu)成一個(gè)空間整體。二步編織法的特點(diǎn)是可以織出非常厚的結(jié)構(gòu)。
多層聯(lián)鎖編織方法中，編織紗和軸紗分開，用專用的編織紗將鄰近薄層相互連接起來(lái)，來(lái)提高其整體性能。
三維編織復(fù)合材料的成型方法主要是樹脂傳遞模塑法，也稱為RTM工藝方法。RTM成型工藝過(guò)程如下：
① 首先在模腔內(nèi)預(yù)先鋪放增強(qiáng)材料制成的預(yù)成形體；
② 然后在壓力或真空作用力下將樹脂注入閉合模腔浸潤(rùn)預(yù)成形體的纖維；
③ 再等待固化后脫模，脫模后對(duì)其再進(jìn)行二次加工便可得到最終產(chǎn)品。
圖1 RTM工藝基本原理
三維編織復(fù)合材料制造中產(chǎn)生的缺陷類型
三維編織復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷主要在成型工藝過(guò)程中產(chǎn)生。成型中，靠在真空或附加壓力作用，將樹脂注入纖維編織的預(yù)制形體內(nèi)，因驅(qū)動(dòng)力的差異，樹脂在預(yù)制形體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生纖維束間和纖維束內(nèi)兩種流動(dòng)路徑。
纖維束間空間相對(duì)開闊，樹脂流動(dòng)速度主要取決于黏性力，影響因素包括樹脂注射壓力和黏度；纖維束內(nèi)空間相對(duì)狹小，樹脂流動(dòng)速度主要取決于毛細(xì)管力，影響因素包括樹脂表面張力和潤(rùn)濕接觸角。
將樹脂流動(dòng)過(guò)程中黏性力和毛細(xì)管力的比值定義為修正毛細(xì)管數(shù)，修正毛細(xì)管數(shù)決定了束間和束內(nèi)流動(dòng)前沿的相對(duì)位置。當(dāng)修正毛細(xì)管數(shù)較低時(shí)，束內(nèi)流動(dòng)起主導(dǎo)作用，易形成束間孔隙（圖2a），也就是樹脂區(qū)孔隙類缺陷；當(dāng)修正毛細(xì)管數(shù)較高時(shí)，束間流動(dòng)起主導(dǎo)作用，易形成束內(nèi)干斑（圖2b），也就是纖維束未被樹脂完全浸潤(rùn)的缺陷。
圖2 束間孔隙和束內(nèi)干斑形成過(guò)程示意
可見，缺陷的產(chǎn)生和類型與RTM工藝、纖維束構(gòu)型等關(guān)系緊密。材料在不規(guī)則樹脂流動(dòng)和纖維束阻塞效應(yīng)的影響下，閉合模具內(nèi)空氣或揮發(fā)氣體留在了產(chǎn)品內(nèi)部，產(chǎn)生的樹脂區(qū)孔隙、纖維束未完全浸潤(rùn)等缺陷，呈現(xiàn)出幾何復(fù)雜、分布隨機(jī)等特征。
三維編織復(fù)合材料的超聲檢測(cè)
超聲檢測(cè)作為樹脂基復(fù)合材料最常用的無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)分層、脫黏、孔隙等類型缺陷的檢測(cè)效果良好，缺陷特征信號(hào)明顯。
相比層合板，三維編織復(fù)合材料不存在分層、脫黏缺陷，而無(wú)論是束間孔隙還是束內(nèi)干斑，都可以看作是結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的樹脂未浸潤(rùn)區(qū)域，因?yàn)槲唇?rùn)區(qū)域和完全浸潤(rùn)區(qū)域的聲阻抗存在差異，在兩種區(qū)域的臨界面存在超聲波的反射與透射，所以可以利用超聲法對(duì)未浸潤(rùn)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。
筆者選擇復(fù)合材料檢測(cè)中常用的5 MHz縱波線陣列探頭，采用脈沖反射法垂直入射方式對(duì)三維編織復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)，其C掃描結(jié)果示例如圖3所示，可以看出樹脂未浸潤(rùn)區(qū)域呈不同深度、不同幾何形狀，分布無(wú)規(guī)則。綜合考慮，筆者在試驗(yàn)中選擇多種頻率超聲波對(duì)三維編織復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
圖3 三維編織復(fù)合材料的C掃描結(jié)果示例
1、試樣的選取
從某轉(zhuǎn)子上截取一段三維編織復(fù)合材料葉片作為試樣，其為變厚度、變曲率結(jié)構(gòu)件，厚度為4~12 mm，葉片試樣外形尺寸如圖4所示。
圖4 葉片試樣外形尺寸
2、探頭的選取
考慮試樣的材料與厚度，選擇復(fù)合材料檢測(cè)常用的3種不同頻率的縱波直探頭進(jìn)行檢測(cè)，探頭相關(guān)參數(shù)如下：
1.探頭型號(hào)：OLYMPUS V201，探頭頻率5 MHz，探頭直徑6 mm；
2.探頭型號(hào)：OLYMPUS C125，探頭頻率2.25 MHz，探頭直徑10 mm；
3.探頭型號(hào)：OLYMPUS V103，探頭頻率1 MHz，探頭直徑12 mm。
3、多頻率超聲檢測(cè)結(jié)果
1、5 MHz探頭掃查結(jié)果
選取5 MHz縱波直探頭，采用脈沖反射法垂直入射方式對(duì)試樣進(jìn)行全覆蓋掃查，得到的典型波形如圖5所示。掃查中可見內(nèi)部質(zhì)量良好區(qū)的底面反射回波清晰，波幅較高；孔隙聚集區(qū)存在底波衰減現(xiàn)象，不同厚度處出現(xiàn)了孔隙回波。
圖5 5 MHz頻率下三維編織復(fù)合材料超聲信號(hào)典型波形
對(duì)試樣全覆蓋掃查后，對(duì)超聲異常區(qū)域用白色記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)識(shí)，異常區(qū)域標(biāo)識(shí)如圖6所示，其中白點(diǎn)狀陰影部分為孔隙聚集區(qū)，此部分區(qū)域編號(hào)為A區(qū)。
圖6 5 MHz頻率下試樣異常區(qū)域標(biāo)識(shí)示意
2、2.25 MHz探頭掃查結(jié)果
選取2.25 MHz縱波直探頭，采用脈沖反射法垂直入射對(duì)試樣進(jìn)行全覆蓋掃查，不同區(qū)域的典型波形如圖7所示，可見相比于5 MHz探頭，2.25 MHz頻率掃查下的回波脈沖寬度變寬。
圖7 2.25 MHz頻率下三維編織復(fù)合材料超聲信號(hào)典型波形
對(duì)試樣全覆蓋掃查后，對(duì)超聲回波異常區(qū)域用記號(hào)筆標(biāo)識(shí)，異常區(qū)域標(biāo)識(shí)如圖8所示，其中斜劃線陰影部分為孔隙聚集區(qū)，此部分區(qū)域編號(hào)為B區(qū)。從圖8中可以看出B區(qū)全部位于A區(qū)內(nèi)部，面積小于A區(qū)。
圖8 2.25 MHz頻率下試樣異常區(qū)域標(biāo)識(shí)示意
3、1 MHz探頭掃查結(jié)果
選取1 MHz縱波直探頭，采用脈沖反射法垂直方式入射對(duì)試樣進(jìn)行全覆蓋掃查，不同區(qū)域的典型波形如圖9所示?？梢?，相比于5和2.25 MHz探頭，1 MHz頻率掃查下的回波脈沖寬度更寬。
圖9 1 MHz頻率下三維編織復(fù)合材料超聲信號(hào)典型波形
對(duì)試樣全覆蓋掃查后，對(duì)超聲回波異常區(qū)域用記號(hào)筆標(biāo)識(shí)，異常區(qū)域標(biāo)識(shí)如圖10所示，其中網(wǎng)格線陰影部分為孔隙聚集區(qū)，此部分區(qū)域編號(hào)為C區(qū)。從圖中可以看出C區(qū)全部位于B區(qū)內(nèi)部，面積小于B區(qū)。
圖10 1 MHz頻率下試樣異常區(qū)域標(biāo)識(shí)示意
4、檢測(cè)結(jié)果分析
相對(duì)來(lái)說(shuō)，超聲波頻率高時(shí)，對(duì)小缺陷有明顯響應(yīng)，可以對(duì)材料的內(nèi)部孔隙做精細(xì)檢查；檢測(cè)頻率低時(shí)，能量衰減小，聲波相對(duì)容易繞過(guò)小缺陷而穿透整個(gè)試樣。
對(duì)于該試樣，同一區(qū)域在不同檢測(cè)頻率下的檢測(cè)結(jié)果可能存在明顯差異，高頻率超聲波入射到缺陷界面時(shí)大部分能量被反射，無(wú)法到達(dá)試樣底部；低頻率超聲波更容易透過(guò)缺陷，得到試樣底面反射回波。
綜合三種頻率下的檢測(cè)結(jié)果，可以得出結(jié)論：孔隙分布的嚴(yán)重程度C區(qū)>B區(qū)>A區(qū)。
結(jié) 語(yǔ)
三維編織復(fù)合材料內(nèi)部的主要缺陷類型為樹脂未浸潤(rùn)，即材料內(nèi)部的孔隙缺陷，筆者采用超聲縱波垂直入射法時(shí)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并綜合對(duì)比多種不同頻率超聲波的檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲法雖然無(wú)法對(duì)材料內(nèi)部的孔隙分布進(jìn)行定量檢測(cè)，但可以對(duì)不同區(qū)域孔隙分布情況進(jìn)行判斷。
作者：曲亞林1,2，寧寧1，詹紹正1
工作單位：1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所
2.機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
第一作者：曲亞林，工程師，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)與結(jié)構(gòu)維修方向的研究工作。
來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2023年6期
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