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复合材料超声检测技术
发布时间:2011-10-13   浏览次数:4779次

    立陶宛考纳斯科技大学的Kazys等人采用斜入射同侧检测方式,研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0模式Lamb波的板边回波特性,由于损伤区域有很强的能量泄漏,所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷,并估计其大小。波兰格坦斯克科技大学的Imielinska等人采用空气耦合探头和穿透式超声C扫描技术对多层聚合体复合材料的冲击损伤进行了检测研究,与X射线检测结果比较后表明,该方法更快、更方便、更准确,且可用于检测一些X射线无法检测的材料。美国爱荷华州立大学无损检测中心的HSU和印度GE全球研究中心的Kommareddy等合作,利用压电陶瓷空气耦合换能器,开展了复合材料零部件的缺陷检测和修复评价的研究工作,并研制了相应的空气耦合超声扫描系统,在飞机零部件阵地探伤中得以使用;英国伦敦大学的Berketis等人利用空气耦合超声检测方法对潜艇用玻璃纤维增强型复合材料的损伤和退化进行了检测和评价,获得了用水耦合超声检测方法得不到的效果。丹麦国家实验室的Borum与丹麦工业大学的Berggreen等人合作,利用空气耦合超声波,采用穿透法,对海军舰艇用层状叠合复合材料板进行检测,结果显示,该方法可以检测出上述材料板中的脱粘。

1、非线性超声检测技术

 
非线性超声检测是利用超声波在材料中传播时,介质或微小缺陷与它相互作用产生的非线性响应信号,进行材料性能的评估和微小缺陷的检测,本质上反映的是微小缺陷对材料非线性的影响。传统超声无损检测使用的检测超声波幅值极小,即由超声波传播时产生的应力和应变均为极小值,此时介质中超声波的传播遵循线性应力-应变关系。当使用大幅度的超声波(有限幅度超声)检测时,超声波传播时受介质应力-应变关系非线性的影响增强,超声非线性响应信号幅度变大,使描述传统超声的线性波动方程增加了谐波部分。把波动方程中的二次谐波与基波(即线性项)的系数比值定义为非线性声参量B/A。非线性声参量B/A比值的大小反映了超声在传播过程中非线性效应的强弱。B/A的测量方法有有限振幅绝对测量法、有限振幅相对测量法和改善的热力学方法等。

非线性技术(应力波因子技术),对于复合材料常规不能检测的缺陷,如检测细微缺陷(孔隙、基体裂纹、纤维裂断、富胶、固化不足等),能达到良好的检出效果。是一种材料完整性检测和评估的手段。但是如何激发损伤信号、损伤信号与噪声信号较难区别使该技术的发展受到了影响。

    美国RITEC RAM-5000 SNAP非线性高能超声测试系统是世界上第一套专门用于材料无损评估时的非线性效应研究的超声测试系统,堪称世界一流。在激发损伤信号方面,该设备使用门控放大器技术,利用脉冲群增大入射能量,有效的激发了应力波;在信号接收端,使用相敏超外差技术,在保留信号信息的同时,有效的区分噪声信号与损伤信号。在基于非线性原理基础上,有效的解决了技术瓶颈。Rite原理图如下所示:

 

 

ritec系统原理图


    研究表明,超声波在贴合(Kissing Bonds)的接触界面上传播显示出非常明显的非线性,出现较多的非常规谐波和非线性波形畸变。英国C.J.Brotherhood等人用常规超声、电磁超声和非线性超声3种超声检测方法对在胶接中产生的贴合(非粘接)缺陷进行了检测,并在检测的过程中对接触面施加载荷。在外加载荷较低的情况下,非线性超声具有3者中最高的灵敏度。
(信息来源:无损检测技术教育部重点实验室

2
、激光超声检测技术

激光超声是目前国内外研究最活跃的非接触超声检测方法之一。它利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用,在固体表面产生热特性区,形成热应力,在物体内部产生超声波。激光超声检测可分3种:一种用激光在工件中产生超声波,用PZT等常规超声探头接收超声波进行检测;另一种用PZT等常规超声波探头激励超声波,用激光干涉法检测工件中的超声波;还有一种用激光激励超声波,并用激光干涉法检测工件中的超声波,此法是纯粹意义上的激光超声检测技术。超声波的激励或探测可通过激光进行,不需要耦合剂,因而可实现远距离非接触检测,检测距离可从几十厘米到数米。所激发的超声波具有很宽的频带,从几百kHz到几GHz,可用于薄膜测量分析等一些特殊应用场合。而且探测激光可聚焦到非常小的点,可实现高达数微米的空间分辨力。此外,激光超声源能同时激发纵波、横波、表面波以及各种导波,是试验验证各种复杂媒质中声传播理论的有效手段。近年来,已发展成超声学中的重要分支,并在激光超声信号的激发与接收、传播以及应用等方面取得很大进展。

激光超声检测的快速、远距离和高分辨力等特性适用于常规压电检测技术难以检测的形状结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究,如飞机上各个部件的定位和成像等。加拿大A.Blouin用激光超声研究了蜂窝芯复合材料的分层、脱粘等缺陷。美国洛克希德·马丁公司开发了LaserUT激光超声检测系统,在检测F-22复合材料构件时获得了清晰的B扫描、C扫描图像,不需要任何特殊夹具,检测时间大大缩短,达到了传统超声无法达到的效果。国内钱梦騄等在激光超声的特性和检测各种材料的力学特性方面进行了大量的研究。刘松平研究了碳纤维增强树脂基复合材料中常见缺陷的激光超声信号特性与缺陷识别评估方法。利用激光发射-超声接收检测系统有效地提取了反映复合材料中缺陷的声波信息,并可进行缺陷的判别,确定缺陷的性质。

尽管激光超声在复合材料检测中取得了很大的进展,但现阶段仍存在2个主要问题:一个是光声能量的转换效率较低;另一个是激光超声信号微弱,需要提高检测灵敏度。适当增大激光的能量,可提高激光超声信号强度。但当能量增大到一定程度时,又容易将材料的表面灼伤。因此,揭示激光发声机理、提高光声转换效率及其检测灵敏度已成为激光超声研究的3个主要方向。

3
、相控阵超声检测技术

相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术,它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列,阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声,产生的球面波在传播过程中波前相互叠加,形成不同的声束。

相控阵超声探头由晶片阵列组成,各声束相位可控,可用软件控制聚焦焦点,不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域。通过优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,使得相控阵超声在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。 



 

如需详细资料请点击非线性超声检测系统


 


 
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