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【摘 要】 文章结合笔者相关工作经验，对复合材料的分类及超声波检测的特点进行了阐述，随后重点就复合材料的超声波检测进行了分析。
【关键词】 复合材料；超声波检测
一、复合材料的定义及分类
复合材料是指用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。其基体材料名称与增强体材料并用，强调基体以及强调增强体时以基体材料的名称为主
复合材料的分类有：
（一）按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥基复合材料，碳基复合材料；
（二）按增强材料形态分为以下三类
1、纤维增强复合材料：连续纤维复合材料，非连续纤维复合材料；
2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；
3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。
4、层叠复合材料
（二）按材料作用分两类
1、功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能；
2、结构复合材料：应用的材料的力学性能。
二、复合材料的检测难点
复合材料因能有效提高飞机性能，减重效果显著，在军民机的研制中应用越来越广，随着科学技术的发展，各类新型复合材料被有效利用。在某型飞机的研制中，设计人员为保证零件的外形和减重等，采用了一种新型的复合材料结构，即以碳纤维环氧预浸料为面层以聚甲基丙烯酞胺泡沫塑料为夹芯的夹层结构。泡沫夹芯材料为多孔疏松材料，其特殊性能不仅给制造工艺带来很大的难度，而且也为检测其内部粘接质量造成了极大的困难。其检测的主要难点有：
（一）泡沫夹
芯的不致密性带来了很大的超声波衰减，对于碳纤绚泡沫夹芯结构难于得到来自泡沫夹芯的反射回波，这给检测胶膜和泡沫夹芯间的缺陷造成了较大的难度。
（二）某型机使用碳纤细泡沫夹芯结构制造的零组件外形结构复杂，结构过渡区多，因此易产生的缺陷部位多，产生缺陷的类型多，需对缺陷进行准确的定量、定性。
（三）设计人员对这种结构制造的零组件的验收标准很严，要求
能够检测出的最小缺陷仅为中3lun。国外对类似材料结构普遍采用激光散斑技术进行检测，但可检测出的缺陷尺寸至少为中25.4mi刀。本文通过工艺试验，总结出碳纤维胞沫夹芯结构的超声波检测方法并且验证了超声波检测的正确性。
三、超声波的特点
（一）超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。超声波在异种介质的接口上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷接口反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。超声波的能量比声波大得多。超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质接口上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的接口处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。
（二）超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。
超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。反射回來的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
（三）脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是A扫描式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又被探头接收到，在显示器屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。
四、复合材料的检测确定与缺陷判定
泡沫夹芯为高衰减材料，超声波穿透法根本无法穿透零件；另外，该零件的外形复杂，难于实现自动化检测，因此只能选用手动接触式脉冲反射法。选用无害、无污染、无气泡的自来水作为祸合剂，禁止使用其它有机、油基类祸合剂以免对碳纤维复合材料零件造成污染或腐蚀。零件的层板厚度仅为1.SInm～4mm，故选择仪器时应考虑仪器和探头的组合性能应有足够好的分辨力和较高的灵敏度。探头的性能是检出缺陷的关键，而探头的选择又和探伤材料直接相关。该零件是用碳纤维树脂基复合材料和泡沫夹芯材料制造，材料声衰减大，为此应选择较低频率的探头；但由于材料的层间反射波较强且缺陷波不易分开，为了提高缺陷的分辨能力，又应选择较高频率和较小尺寸的探头。
（一）对比试块的设计与制作
制作一個与盒型件结构、材料、加工工艺完全相同的对比试块，在其内部的典型部位、典型铺层预埋人工缺陷。如表一所示： （二）灵敏度的调整
碳纤维层压板+胶膜+泡沫夹芯结构的超声波灵敏度的调整方法，将探头放置在结构的相对良好的区域，将底波高度只能调整为荧光屏满刻度的40%，将底波前沿调整位于荧光屏扫描线的2刻度处。由于碳纤维胞沫夹芯结构的高衰减性，不能像其他的材料结构一样将底波调至荧光屏满刻度的80%，如果将底波调至荧光屏满刻度的80%，有效检测区域内杂波较多。
碳纤维层压板+胶膜+盒型件的超声波灵敏度的调整方法，将探头放置在结构上的相对良好区域，将碳纤维层压板和盒型件蒙皮二次粘接界面处的回波高度调整为荧光屏满刻度的40%。与一般检测材料结构不同的是，这种材料结构的二次粘接接口處的回波比整个结构的底波高，这是由于超声波在层压板和盒型件蒙皮处的衰减小于胶膜与泡沫夹芯处的衰减；而一般的层板与层板二次粘接，层板与层板接口处的衰减比超声传输整个结构的衰减高，接口回波比底波低。由于盒型件己经经过检测，因此此时仅需监测始波与接口回波之间的区域是否有显示异常的波形即可
（三）缺陷的判别
盒型件层板内部的缺陷检测盒型件的对比试块中人工缺陷l至缺陷5，盒型件层板内部的缺陷较容易分辨，底波明显消失，既使缺陷面积小于中3mm，底波降低也会超过18dB。在底波前出现较强的层间反射波，位于层压板上两层的人工缺陷反射波靠近始波、中间层人工缺陷的反射波位于从始波到底波距离的中间，下两层的人工缺陷反射波靠近底波。
（四）盒型件碳纤维层板与泡沫夹芯之间的缺陷
检测盒型件对比试块中的人工缺陷6至缺陷16。缺陷6至16是位于胶膜上、下方，尺寸分别为小3lun和小6mm的人工缺陷。经试验，选用的仪器和探头可以检测出小至小3mm的胶膜上、下方的人工缺陷。
由于胶膜较薄，胶膜上、下方缺陷的波形位置与底波位置很靠近。如何区分胶膜上、下方缺陷有一定的难度。另外，从波的幅度上也可区分，在相同的灵敏度下，胶膜上方缺陷的波幅高于胶膜下方缺陷的波幅，这是因为超声波在胶膜上和胶膜下的衰减不同，胶膜下缺陷由于多了胶膜的衰减使得反射回的超声能量较少。经试验证明，胶膜下缺陷的波幅比胶膜上缺陷的波幅低翻B以上。
五、结语
结合上文所述，通过对一些复合材料的超声波检测表明，超声脉冲反射法用于检测碳纤维/泡沫夹芯结构具有检测灵敏度高（可检测出胶膜下中3Iln的脱粘缺陷），分辨率好（可分辨出胶膜上、下方缺陷）的特点。是检测碳纤维/泡沫夹芯结构的有效方法，通过结合缺陷的解剖验证，进一步证明所选择的超声波检测方法有效，检测结果可靠。
参考文献：
[1]蒋福棠，杜吉凯，何双起.金属基复合材料的超声与射线检测[J].无损检测，2014，（3）.
[2]周正干，孙广开，马保全.先进复合材料超声无损检测新技术的应用[J].科技导报，2014，（9）.
[3]许志武，马星，马琳.超声波作用下SiC_p/Al复合材料焊缝的凝固组织及其断裂特征[J].中国有色金属学报，2013，（1）.
【关键词】 复合材料；超声波检测
一、复合材料的定义及分类
复合材料是指用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的固体材料。其基体材料名称与增强体材料并用，强调基体以及强调增强体时以基体材料的名称为主
复合材料的分类有：
（一）按基体材料分：聚合物基复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥基复合材料，碳基复合材料；
（二）按增强材料形态分为以下三类
1、纤维增强复合材料：连续纤维复合材料，非连续纤维复合材料；
2、颗粒增强复合材料：包括微米颗粒和纳米颗粒；
3、板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成。
4、层叠复合材料
（二）按材料作用分两类
1、功能复合材料：使用的是材料的光、电、磁、热、声等非力学性能；
2、结构复合材料：应用的材料的力学性能。
二、复合材料的检测难点
复合材料因能有效提高飞机性能，减重效果显著，在军民机的研制中应用越来越广，随着科学技术的发展，各类新型复合材料被有效利用。在某型飞机的研制中，设计人员为保证零件的外形和减重等，采用了一种新型的复合材料结构，即以碳纤维环氧预浸料为面层以聚甲基丙烯酞胺泡沫塑料为夹芯的夹层结构。泡沫夹芯材料为多孔疏松材料，其特殊性能不仅给制造工艺带来很大的难度，而且也为检测其内部粘接质量造成了极大的困难。其检测的主要难点有：
（一）泡沫夹
芯的不致密性带来了很大的超声波衰减，对于碳纤绚泡沫夹芯结构难于得到来自泡沫夹芯的反射回波，这给检测胶膜和泡沫夹芯间的缺陷造成了较大的难度。
（二）某型机使用碳纤细泡沫夹芯结构制造的零组件外形结构复杂，结构过渡区多，因此易产生的缺陷部位多，产生缺陷的类型多，需对缺陷进行准确的定量、定性。
（三）设计人员对这种结构制造的零组件的验收标准很严，要求
能够检测出的最小缺陷仅为中3lun。国外对类似材料结构普遍采用激光散斑技术进行检测，但可检测出的缺陷尺寸至少为中25.4mi刀。本文通过工艺试验，总结出碳纤维胞沫夹芯结构的超声波检测方法并且验证了超声波检测的正确性。
三、超声波的特点
（一）超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。超声波在异种介质的接口上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷接口反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。超声波的能量比声波大得多。超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质接口上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的接口处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。
（二）超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。
超声波探伤仪的种类繁多，但脉冲反射式超声波探伤仪应用最广。一般在均匀材料中，缺陷的存在将造成材料不连续，这种不连续往往有造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的界面上会发生反射。反射回來的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
（三）脉冲反射式超声波探伤仪大部分都是A扫描式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个工件中存在一个缺陷，由于缺陷的存在，造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后就会发生反射，反射回来的能量又被探头接收到，在显示器屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷波在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。
四、复合材料的检测确定与缺陷判定
泡沫夹芯为高衰减材料，超声波穿透法根本无法穿透零件；另外，该零件的外形复杂，难于实现自动化检测，因此只能选用手动接触式脉冲反射法。选用无害、无污染、无气泡的自来水作为祸合剂，禁止使用其它有机、油基类祸合剂以免对碳纤维复合材料零件造成污染或腐蚀。零件的层板厚度仅为1.SInm～4mm，故选择仪器时应考虑仪器和探头的组合性能应有足够好的分辨力和较高的灵敏度。探头的性能是检出缺陷的关键，而探头的选择又和探伤材料直接相关。该零件是用碳纤维树脂基复合材料和泡沫夹芯材料制造，材料声衰减大，为此应选择较低频率的探头；但由于材料的层间反射波较强且缺陷波不易分开，为了提高缺陷的分辨能力，又应选择较高频率和较小尺寸的探头。
（一）对比试块的设计与制作
制作一個与盒型件结构、材料、加工工艺完全相同的对比试块，在其内部的典型部位、典型铺层预埋人工缺陷。如表一所示： （二）灵敏度的调整
碳纤维层压板+胶膜+泡沫夹芯结构的超声波灵敏度的调整方法，将探头放置在结构的相对良好的区域，将底波高度只能调整为荧光屏满刻度的40%，将底波前沿调整位于荧光屏扫描线的2刻度处。由于碳纤维胞沫夹芯结构的高衰减性，不能像其他的材料结构一样将底波调至荧光屏满刻度的80%，如果将底波调至荧光屏满刻度的80%，有效检测区域内杂波较多。
碳纤维层压板+胶膜+盒型件的超声波灵敏度的调整方法，将探头放置在结构上的相对良好区域，将碳纤维层压板和盒型件蒙皮二次粘接界面处的回波高度调整为荧光屏满刻度的40%。与一般检测材料结构不同的是，这种材料结构的二次粘接接口處的回波比整个结构的底波高，这是由于超声波在层压板和盒型件蒙皮处的衰减小于胶膜与泡沫夹芯处的衰减；而一般的层板与层板二次粘接，层板与层板接口处的衰减比超声传输整个结构的衰减高，接口回波比底波低。由于盒型件己经经过检测，因此此时仅需监测始波与接口回波之间的区域是否有显示异常的波形即可
（三）缺陷的判别
盒型件层板内部的缺陷检测盒型件的对比试块中人工缺陷l至缺陷5，盒型件层板内部的缺陷较容易分辨，底波明显消失，既使缺陷面积小于中3mm，底波降低也会超过18dB。在底波前出现较强的层间反射波，位于层压板上两层的人工缺陷反射波靠近始波、中间层人工缺陷的反射波位于从始波到底波距离的中间，下两层的人工缺陷反射波靠近底波。
（四）盒型件碳纤维层板与泡沫夹芯之间的缺陷
检测盒型件对比试块中的人工缺陷6至缺陷16。缺陷6至16是位于胶膜上、下方，尺寸分别为小3lun和小6mm的人工缺陷。经试验，选用的仪器和探头可以检测出小至小3mm的胶膜上、下方的人工缺陷。
由于胶膜较薄，胶膜上、下方缺陷的波形位置与底波位置很靠近。如何区分胶膜上、下方缺陷有一定的难度。另外，从波的幅度上也可区分，在相同的灵敏度下，胶膜上方缺陷的波幅高于胶膜下方缺陷的波幅，这是因为超声波在胶膜上和胶膜下的衰减不同，胶膜下缺陷由于多了胶膜的衰减使得反射回的超声能量较少。经试验证明，胶膜下缺陷的波幅比胶膜上缺陷的波幅低翻B以上。
五、结语
结合上文所述，通过对一些复合材料的超声波检测表明，超声脉冲反射法用于检测碳纤维/泡沫夹芯结构具有检测灵敏度高（可检测出胶膜下中3Iln的脱粘缺陷），分辨率好（可分辨出胶膜上、下方缺陷）的特点。是检测碳纤维/泡沫夹芯结构的有效方法，通过结合缺陷的解剖验证，进一步证明所选择的超声波检测方法有效，检测结果可靠。
参考文献：
[1]蒋福棠，杜吉凯，何双起.金属基复合材料的超声与射线检测[J].无损检测，2014，（3）.
[2]周正干，孙广开，马保全.先进复合材料超声无损检测新技术的应用[J].科技导报，2014，（9）.
[3]许志武，马星，马琳.超声波作用下SiC_p/Al复合材料焊缝的凝固组织及其断裂特征[J].中国有色金属学报，2013，（1）.