熱塑性復(fù)合材料因生產(chǎn)效率高、成型周期短、可在高濕環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用，同時(shí)可回收再利用，具有廣闊的發(fā)展空間。
與金屬材料相比，樹(shù)脂基復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)一次成型，成型后無(wú)后續(xù)工藝對(duì)材料組分和缺陷進(jìn)行改善，且成型過(guò)程中存在樹(shù)脂流動(dòng)、氣泡遷移等多種復(fù)雜變化，因而，不可避免地存在分層、空洞、脫黏等缺陷，影響構(gòu)件使用性能。
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可用于材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)與材料評(píng)價(jià)等方面，貫穿于航空樹(shù)脂基復(fù)合材料研制、生產(chǎn)、使用全過(guò)程。采用科學(xué)合理的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提高危險(xiǎn)性缺陷檢出率，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件可靠使用的有力保障，具有重要的戰(zhàn)略意義。
目前，由于熱塑性復(fù)合材料使用較少，在該類材料內(nèi)部主要缺陷特征、無(wú)損檢測(cè)方法適應(yīng)性及質(zhì)量評(píng)價(jià)方法等方面，還缺少數(shù)據(jù)積累和方法研究。
超聲檢測(cè)是目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)損檢測(cè)方法之一，其不僅能對(duì)材料表面與內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，還能用于材料內(nèi)部組織和特性的表征?；诖耍袊?guó)航發(fā)北京航空材料研究院的研究人員采用超聲縱波檢測(cè)方法對(duì)熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
1熱塑性與熱固性復(fù)合材料超聲特性及內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比
熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料的成分和制作工藝不同，其組織特征和聲波特性必然存在差異。
選取熱固性及熱塑性復(fù)合材料層板各一塊：
聲速測(cè)量
首先用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件厚度h，然后獲得試件的底面多次反射回波，以兩次回波前沿起始位置（零點(diǎn)位置）作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量?jī)纱位夭ㄩg的間隔時(shí)間t，再根據(jù)公式c=2h/t計(jì)算待測(cè)材料的聲速c。
熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料聲速對(duì)比結(jié)果如下：
分析影響超聲聲速測(cè)量不確定度的因素有：
① 重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；
② 超聲檢測(cè)儀厚度數(shù)字示值的分辨率引入的不確定度分量；
③ 游標(biāo)卡尺的示值誤差引入的不確定度分量。
經(jīng)計(jì)算，擴(kuò)展不確定度U為64 m/s，包含因子k=2。即熱固性復(fù)合材料層板的測(cè)量結(jié)果為（3016±64）m/s，k=2；熱塑性復(fù)合材料層板的測(cè)量結(jié)果為（2858±64）m/s，k=2。
可見(jiàn)熱固性復(fù)合材料層板比熱塑性復(fù)合材料層板聲速略大。盡管兩者的材料及工藝條件不同，但聲速差異很小。
衰減率測(cè)量
通過(guò)比較不同材料的一次底波幅值可有效判斷聲波的衰減。當(dāng)材料中聲能衰減大時(shí)，一次底波的幅值會(huì)減小，反之聲能衰減小時(shí)，一次底波的幅值會(huì)升高。
采用D11（頻率為5 MHz，晶片直徑為6 mm）探頭，分別將熱固性與熱塑性復(fù)合材料層板底面回波幅值調(diào)至80%，記錄增益值如下：
可見(jiàn)熱塑性復(fù)合材料層板的衰減略小于熱固性復(fù)合材料層板，聲衰減系數(shù)相差約0.5 dB/mm。
復(fù)合材料層板缺陷檢測(cè)
由上可知熱固性和熱塑性復(fù)合材料層板的聲學(xué)特性差別不大，可采用相同的檢測(cè)方法及參數(shù)進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量的對(duì)比分析。
采用超聲噴水式脈沖穿透技術(shù)檢測(cè)復(fù)合材料層板的內(nèi)部質(zhì)量，檢測(cè)時(shí)將兩個(gè)探頭分別置于層板兩側(cè)，作為發(fā)射探頭和接收探頭，將層板完好部位穿透信號(hào)調(diào)整至熒光屏滿刻度的60%~80%，對(duì)復(fù)合材料板進(jìn)行C掃描成像，結(jié)果如圖1所示。
圖1 熱固性和熱塑性復(fù)合材料層板的超聲C掃描結(jié)果
可知熱固性復(fù)合材料層板存在衰減較大區(qū)域（圖中綠色和藍(lán)色區(qū)域），熱塑性材料層板內(nèi)部質(zhì)量比較均勻。即熱塑性復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量可以達(dá)到熱固性復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量水平。
綜上可知，熱塑性復(fù)合材料層板的聲速、衰減率以及內(nèi)部質(zhì)量都能達(dá)到熱固性復(fù)合材料層板的水平，該結(jié)論為熱塑性復(fù)合材料層板的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
2熱塑性復(fù)合材料焊接試件內(nèi)部缺陷檢測(cè)
在分析了熱塑性材料的基礎(chǔ)超聲特性的基礎(chǔ)上，選取如圖2所示的熱塑性復(fù)合材料焊接件進(jìn)行超聲檢測(cè)可檢性分析，采用接觸式脈沖反射與噴水式脈沖穿透兩種檢測(cè)模式分析該焊接件的內(nèi)部質(zhì)量。
圖2 熱塑性復(fù)合材料焊接件實(shí)物
采用接觸式脈沖反射技術(shù)檢測(cè)時(shí)，將探頭置于焊接件表面，發(fā)射脈沖在焊接界面產(chǎn)生反射回波，在制件底面也會(huì)有底面回波，如圖3所示。
圖3 焊接區(qū)接觸式脈沖反射技術(shù)檢測(cè)及回波結(jié)構(gòu)
采用噴水式脈沖穿透技術(shù)檢測(cè)時(shí)，發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波穿過(guò)試件被接收探頭接收，在儀器熒光屏上會(huì)顯示穿透回波，如圖4所示。
圖4 焊接區(qū)噴水式脈沖穿透技術(shù)檢測(cè)及回波結(jié)構(gòu)
熱塑性復(fù)合材料焊接件超聲C掃描結(jié)果如圖5所示，可知焊接件質(zhì)量不均勻，存在穿透回波降低幅度較大部位（黑色部位）。
圖5 熱塑性復(fù)合材料焊接件超聲C掃描結(jié)果
選取圖5中的5個(gè)穿透回波幅度有差異的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行超聲A掃描波形記錄和解剖高倍組織圖分析，如圖6所示。
圖6 熱塑性焊接件標(biāo)記點(diǎn)處的超聲A掃描波形及相應(yīng)的高倍組織圖
可見(jiàn)標(biāo)記點(diǎn)1處的組織良好，在A掃描波形中有焊接界面回波及底波；標(biāo)記點(diǎn)2處在界面回波與焊接界面回波之間存在反射回波，焊接界面回波和底波消失，即焊接溫度太高，樹(shù)脂出現(xiàn)熱降解，導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔；標(biāo)記點(diǎn)3處的界面回波和底波消失，即試件內(nèi)部存在大量氣孔導(dǎo)致回波衰減消失；標(biāo)記點(diǎn)4處的波形顯示存在較高的分層回波，與高倍組織圖形成很好的對(duì)應(yīng)，原因?yàn)楹附訒r(shí)間比較短，樹(shù)脂未完全熔合；標(biāo)記點(diǎn)5處的底波略降低，原因在于玻纖預(yù)浸料溶入不是特別好。
由上可知，熱塑性復(fù)合材料焊接件具有超聲可檢性，超聲檢測(cè)技術(shù)可以檢出試件內(nèi)部的氣孔、分層和焊接不良。噴水式脈沖穿透技術(shù)可以直觀給出試件的整體質(zhì)量，但無(wú)法確定缺陷的深度位置，因此在檢測(cè)過(guò)程中要結(jié)合噴水式脈沖穿透技術(shù)和接觸式脈沖反射技術(shù)來(lái)綜合評(píng)價(jià)熱塑性復(fù)合材料焊接件的內(nèi)部質(zhì)量。
3自動(dòng)鋪放工藝的跟蹤檢測(cè)
由于熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)化、低成本制造技術(shù)的需求，還需加快國(guó)內(nèi)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究步伐，爭(zhēng)取在國(guó)內(nèi)早日實(shí)現(xiàn)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型，因此需分析自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)對(duì)成型構(gòu)件性能的影響并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
復(fù)合材料制備工藝
采用自動(dòng)鋪放+烘箱固化工藝、自動(dòng)鋪放+二次熱壓工藝兩種制備工藝，制備熱塑性復(fù)合材料試驗(yàn)件各一件。
內(nèi)部質(zhì)量具體檢測(cè)
采用頻率為5 MHz的探頭進(jìn)行噴水式脈沖穿透技術(shù)檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示。
圖7 不同工藝熱塑性復(fù)合材料層板的超聲C掃描結(jié)果
可以看出自動(dòng)鋪放+二次熱壓工藝熱塑性復(fù)合材料制件聲能衰減小，組織致密均勻；自動(dòng)鋪放工藝+烘箱固化工藝熱塑性復(fù)合材料制件衰減大，組織均勻性較差。
對(duì)不同狀態(tài)下的熱塑性復(fù)合材料層板采用頻率為1 MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。
圖8 不同狀態(tài)下熱塑性復(fù)合材料層板的C掃描結(jié)果
可知檢測(cè)靈敏度分別為49 dB 和24 dB，以穿透回波幅度良好部位80%的dB值作為檢測(cè)靈敏度，當(dāng)材料中聲能衰減較大時(shí)，一次穿透回波的幅值會(huì)急劇減小，為了得到相同的穿透回波，激勵(lì)所需的增益（激勵(lì)電壓）需要相應(yīng)提高，因此，增益值越大，代表零件中聲衰減越大，即烘箱固化后試驗(yàn)件激勵(lì)所需增益較低，內(nèi)部質(zhì)量有所改進(jìn)。
復(fù)合材料層板缺陷檢測(cè)
對(duì)復(fù)合材料層板烘箱固化后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用頻率為1 MHz的探頭進(jìn)行噴水穿透C掃描，結(jié)果如圖9所示，可知在沖擊處穿透回波較低，可能存在分層或彌散性缺陷。
圖9 沖擊試驗(yàn)后熱塑性復(fù)合材料層板的C掃描結(jié)果
由上可知，自動(dòng)鋪放+烘箱固化工藝制備的熱塑性復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量較差，還需改進(jìn)工藝參數(shù)；自動(dòng)鋪放+二次熱壓工藝制備的熱塑性復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量均勻且達(dá)標(biāo)。即復(fù)合材料層板的沖擊損傷可能引起制件內(nèi)部孔隙或分層缺陷。
結(jié) 論
1熱固性復(fù)合材料層板聲速約為3016 m/s，熱塑性復(fù)合材料層板聲速約為2858 m/s。熱固性材料聲衰減系數(shù)略大于熱塑性材料，聲衰減系數(shù)相差約0.5 dB/mm。熱塑性復(fù)合材料層板質(zhì)量可達(dá)到熱固性復(fù)合材料層板的質(zhì)量水平。
2熱塑性復(fù)合材料焊接件具有超聲可檢性，超聲檢測(cè)技術(shù)可以檢出制件內(nèi)部的焊接不良、層板內(nèi)部的分層及彌散性缺陷。
3對(duì)典型性能試件制作及試驗(yàn)過(guò)程的跟蹤檢測(cè)結(jié)果顯示，自動(dòng)鋪放+二次熱壓工藝制作的復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量較均勻，自動(dòng)鋪放+烘箱真空固化工藝制作的復(fù)合材料層板內(nèi)部質(zhì)量均勻性較差。復(fù)合材料層板的沖擊損傷可能引起孔隙或分層缺陷。
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