低频超声复合材料检测技术

1.背景
复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代金属合金等材料，广泛应用于航空航天、汽车、高铁等领域。
在波音787和A350客机上，50%以上的部件由复合材料制成

而对于复合材料的检测，尤其是在役的飞机复合材料检测仍然是检测的难点和重点。其中尤其以蜂窝结构和泡沫夹心结构等复杂结构的复合材料检测为复杂。
蜂窝结构的复合材料是一种夹层结构，其夹芯层由一系列六边形、四边形或其他形状的形似蜂窝的孔格组成，并在夹芯层的上下两面胶接（或钎焊）上较薄的面板/蒙皮。蜂窝夹层结构是复合材料的一种特殊类型。由于这种轻型结构材料具有比强度、比刚度、抗疲劳性能、表面平整光滑等特点，已在航天领域得到较为广泛地应用 。
在层压碳皮之间的带有蜂窝夹芯（NOMEX等）的复合材料夹层结构中，撞击结果会表现为不同类型的损伤。在飞机遭到撞击后，可能会出现以下缺陷：

A型：平行于表面的外部CFRP蒙皮的多层材料之间出现分层缺陷

B型：外侧蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷

C型：平行于检测表面的蜂窝芯出现裂纹

D型：平行区域的蜂窝芯被碾碎

E型：内侧蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷

F型：蜂窝芯中有流体侵入




 

2.低频超声原理
一发一收模式用于检测带有蜂窝结构的复合材料，使用一个双晶、点接触、干耦合超声探头。激发单元将声能传送到工件内，然后，接收单元再接收从表面传播回来的声能。在粘接完好的条件下，部分声能由于蜂窝结构的吸收而产生衰减。当探头被放置在脱粘区域上时，传播到接收单元的声能会变得很大，并会引起波幅的变化

 

这项技术近得到了优化调整，可以可靠地探测到位于40毫米厚的蜂窝结构以下远端的（面积为25毫米 × 25毫米）脱粘缺陷，如：E型缺陷。针对困难且费时的空中客车（Airbus）飞机的检测，一种新式差分高电压探头出现在空中客车的维护公告中，并记载着使用这种探头检测所获得的非同寻常的结果。
一收一发检测模式包括三种检测方法：射频法、脉冲法和扫频法。
不同方法的频率范围如下：1 kHz ～ 50 kHz（射频，脉冲）或1 kHz ～ 100 kHz（扫频）