干货ℱ碳纤维复合材料无损检测技术
来源：DT新材料、作者：DT秋水人家
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料（复合材料），与传统材料相比，碳纤维复合材料具有如下特性: 可设计性和各向异性，材料与结构一体化，复合效应，材料性能对复合工艺的依赖性等。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，以及在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。因此碳纤维复合材料在交通运输、宇航工业等方面得到广泛的应用。
无损检测的必要性
虽然碳纤维复合材料作为一种新兴材料已经得到广泛的应用，但是在生产过程中，由于工艺不稳定，空隙、夹杂等缺陷无法完全避免，它的横向承载与抗剪能力较低，在冲击或疲劳等载荷的作用下极易发生损伤直至破坏。
研究表明，试样厚度不同时碳纤维复合材料的力学性能会发生明显的变化，因此，为了保证碳纤维复合材料的抗拉强度和弹性模量，需要对碳纤维复合材料的厚度进行严格控制。碳纤维复合材料在制造过程中产生的典型缺陷主要包括空隙、分层、脱粘和表面损伤; 在使用过程中产生的典型损伤主要有刀痕或划伤、腐蚀坑、分层、脱粘、圆孔变形和有分层产生的下陷等。
随着复合材料应用的日益广泛，二次机械加工越来越多，尤其是在碳纤维复合材料的零件与其他零部件装配连接时，不可避免地要进行大量孔加工，而在孔加工的过程中容易造成复合材料的脱粘等缺陷。研究发现，纤维方向对钻孔缺陷的形成有严重影响; 轴向力越大，分层缺陷越严重，并且撕裂缺陷迅速增大。
复合材料中常见缺陷及产生原因
复合材料常见缺陷
综上，对碳纤维增强型复合材料进行损伤检测和实时监测显得尤为重要。为保证复合材料的安全应用，复合材料的检测研究受到人们的广泛重视。现有多种方法可以用于碳纤维复合材料的检测，主要有红外热波检测、超声检测、渗透和层析检测、声发射检测及微波无损检测方法等，各种检测方法在其适用的领域发挥着各自的优势，同时也存在各自的缺陷。
红外热波检测方法
红外热波无损检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被检测材料内部热学性质差异以及热传导的不连续性使物体表面温度产生差异，进而在物体表面的局部区域形成温度梯度。温度不同时红外辐射能力也随着发生变化，借助红外热像仪对被测试件进行探测，根据红外热像仪探测的辐射分布来推断被测试件的内部缺陷。
研究结果表明，红外波检测方法可以清晰地表征碳纤维层压板的纤维走向，还可以确定冲击损伤在试件内部随深度的变化过程。红外热波不仅对冲击损伤的大小具有检测能力，还可以对损伤材料内部冲击点处的扩展损伤模式进行有效的检测。
综上，红外热波检测技术可以对碳纤维复合材的裂纹、分层等内部缺陷进行无损检测，但是根据红外热波检测的原理可知，检测过程要经过加热、热传导、形成温度梯度，进而产生辐射等多个步骤，因此，在检测过程中需要一定的时间，不能进行快速的扫描检测。
超声检测方法
超声检测技术是工业上无损检测的方法之一。超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，接收器可以对反射波进行分析，精确地测出缺陷来，并且能显示出内部缺陷的位置和大小，并可测定材料的厚度等。
根据缺陷的显示方式及显示内容分类，又可分为A、B、C三种类型，又称为A扫描、B扫描、C扫描。其中以A型显示最为广泛，B型和C型显示是在A型显示的基础上进行的。
超声C扫描系统是在A型显示的基础上进行的, 目前C型显示不仅能显示缺陷的长度和宽度，而且能用不同颜色来表示埋藏深度和回波幅度.
超声C扫原理图
水浸超声波C扫描检测系统
利用超声波的衰减量和传播速度来检测碳纤维复合材料内部的空隙缺陷。利用超声衰减检测方法得到的空隙率检测结果，均包含了对不同半径孔隙和其他缺陷的声学等效意义在内，这种等效与相应材料的力学或强度可靠性等效之间的关系问题，尚有待于深入研究。利用超声声阻抗可以测量碳纤维复合材料的孔隙率，无需测量材料的声速和密度，并且测量结果受孔隙率形貌影响较小，容易实现。利用超声相控阵检测系统，对含有裂纹、夹杂、分层3种缺陷的碳纤维复合材料实验板进行检测研究。结果表明，该方法对碳纤维复合材料的缺陷类型的区分具有较好的效果。
复合材料常用超声检测技术的特点
超声检测技术不仅可以检测碳纤维复合材料内部的裂纹、夹杂等缺陷，还可以对其内部缺陷进行定位，另外还能对碳纤维复合材料内部的空隙进行检测。但是，超声检测是一种接触式的检测，为了使超声信号少衰减地进入到被检测材料内部，在探头处需要有耦合剂，这样就会对被测试件的表面造成污染，无法进行快速的扫描检测。
渗透和层析检测方法
采用渗透和层析检测碳纤维复合材料缺陷，是利用各组分物理性质的不同，将多组分混合物进行分离及测定的方法。
渗透检测方法可以检测碳纤维复合材料由于钻孔产生的分层缺陷。但是，渗透检测方法是一种表面无损检测方法，只适用于检测表面开口的缺陷，无法对内部缺陷进行有效检测。
声发射检测方法
声发射检测是通过接收和分析材料的声发射信号，评定材料性能和结构完整性的一种无损检测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起的应变快速释放而产生的应力波现象称为声发射。
声发射检测技术可以有效地检测出碳纤维复合材料的内部缺陷及损伤类型。但是，对声发射法来说，缺陷所处的位置和方向并不影响声发射的检测效果，即用声发射检测技术无法检测出缺陷的位置。
微波无损检测方法
以微波作为信息载体，对各种材料构件和自然现象进行检测和诊断，对物体性能和工艺参数等非电量进行非接触、非污染的快速测量和监控，是一门新兴的综合性技术科学。微波检测的原理是研究微波与物质之间的相互作用，通过微波的物理特性( 如反射、散射、衍射、透射及多普勒效应等) 及被检测材料的电磁特性( 如介电常数和损耗的相对变化) 来测量微波基本参数的变化，以实现对被测材料的性能、缺陷等非电量的检测。
根据微波检测的原理不同，微波检测可以分为微波穿透法、微波散射法和微波反射法等。微波穿透检测方法是利用微波信号在被测材料中单程传播后，微波信号的变化来表征被测材料内特性，其检测原理如图所示。
微波散射检测方法是利用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波，再用检波器接收信号，确定试样散射特性，以判断材料的内部缺陷。根据被测试样周围的检波器得到的散射数据，通过逆问题求解，重建被测试样的复介电常数分布的图像(强度分布)，从而推断出被测试样的某些重要性质检测原理如图所示。
微波反射检测方法是利用微波信号在被测材料中双程传播后，微波信号的变化来表征被测材料的内部特性。微波的反射信号不仅携带了被测材料内部的性能特性，还携带了各界面间的结合性能特性，以及金属基体表面的健康状况等特性，分为远场检测和近场检测。
研究各种铺层方向的碳纤维复合材料的微波反射特性，结果表明，单向纤维铺层的碳纤维复合材料的反射率与纤维方向及层板厚度有关; 交叉铺层的反射率较大，但比金属的反射率小。利用太赫兹成像技术对多种复合材料的内部缺陷进行检测。结果表明，信号的反射脉冲可以表征钢板与陶瓷层间的脱粘缺陷; 太赫兹成像技术可以表征玻璃纤维复合材料内部的缺陷和玻璃纤维的方向、分布等; 微波信号可以表征碳纤维复合材料表面粗糙度和纤维的方向。
发展展望
由于碳纤维复合材料的制备工艺复杂，工作环境恶劣，在其应用领域起着至关重要的作用，因此，急需一种合适的无损检测技术对碳纤维复合材料的质量和健康状况进行评价。现有的检测方法都可以达到无损检测的要求，并且可以对碳纤维复合材料内部的缺陷达到检测的目的。但是，各种方法还存在着局限性，红外检测方法速度较慢; 超声检测需要耦合剂会对试样造成污染; 渗透检测只能检测表面有开口的缺陷; 声发射检测不能确定内部缺陷的位置，微波检测技术在碳纤维复合材料的检测研究相对不够深入。
利用微波技术对碳纤维复合材料进行无损检测已经成为无损检测领域的热点和难点之一，到目前为止，对碳纤维复合材料的检测主要是碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘检测。对碳纤维复合材料本身的特性检测还很不完善，还有很多问题有待深入研究。
1)只对碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘和分层做了检测研究，目前对碳纤维复合材料内部各层间脱粘和分层的微波检测尚需要进一步的研究。
2)根据能量分布对复合材料内部大的空隙进行了定位检测，但是对碳纤维复合材料整体的孔隙率进行微波无损检测的研究尚未见报导。
3)对碳纤维复合材料内部的夹杂和裂纹进行微波无损检测的研究较少，需要对其检测的基本理论进行研究。目前没有一种好的理论计算方法来指导微波检测过程，即理论模型的研究有待深入。
4)在检测过程中为了提高检测的灵敏度，需要对检测参数进行优化设计。