复合材料分层检测的无损检测方法比较

摘要

分层是碳纤维增强塑料(CFRP)构件最常见的缺陷之一，如用于飞机和风力涡轮机叶片。为了检测分层，南京航空航天大学(NUAA)采用了不同的无损检测方法，如超声(UT)、涡流(EC)扫描、闪光热像仪和最近开发的脉冲涡流模拟热像仪，对新开发的PEC热像仪系统进行了比较和评估。通过英中合作，中国。南京航空航天大学建立了pecs -stimulated热成像系统，这是纽卡斯尔大学和巴斯大学以前的联合工作的延伸。使用这些无损检测系统，对不同直径和深度的人工专用分层进行了调查和研究。通过比较，pecs - stumated和flash热像显示了较好的分层形状的指示。联合研究还表明，pecr热成像技术在评价纤维取向方面具有独特的优势。

1.介绍

复合材料可以定义为两种或两种以上具有不同力学、热学和电学性能的材料的组合。由于复合材料重量轻、强度高，在飞机和风力涡轮机叶片中广泛使用。分层是复合材料最常见的缺陷之一。它导致了复合材料力学性能的退化，也导致了整体复合材料的失效。为了检测分层并确保复合材料组件的安全运行，在材料的制造和运行过程中都使用了无损评估(NDE)技术。对于CFRP的无损检测，一系列具体的方法正在不断发展，以提高高置信度的故障检测概率。

碳纤维复合材料的多层结构允许使用兰姆波[1- - - - - -4，对CFRP材料的定性评价结果良好。亦采用x光透视方法[5]，以及声发射技术[6，7］.由于碳纤维具有导电性，为了对碳纤维增强塑料进行无损评估，电磁方法如基于涡流的方法[8，9]和微波[10可以使用。

一种极有前途的技术是热像仪，它具有良好的故障检测可能性和在短时间内检查大范围的能力。热成像也适用于广泛的材料，包括玻璃纤维、碳纤维复合材料和金属材料，这些材料对每种应用都需要特定的激发技术。为了在大范围和远距离检测缺陷，研究了热像仪和其他无损检测方法的集成[11- - - - - -15]，例如闪光热成像[16- - - - - -18]、振动热像仪、声波热像仪、激光热像仪和脉冲涡流刺激热像仪。

在CFRP的情况下，pecs刺激热成像可以应用，效果很好[19］.碳纤维沿着纤维具有良好的电导率和导热率，以达到所需的机械参数;设计师要么使用几层碳纤维，要么将不同的碳纤维编织在一起。一般来说，从一层纤维预先浸渍了聚合物树脂，形成一个可以具有单轴电和热各向异性或双轴的层，在编织缎纹碳纤维。此外，碳纤维复合材料沿碳纤维方向的导电性较高，而垂直于碳纤维的导电性较低。

PEC刺激热成像技术结合了PEC和热成像技术，在短时间内对导电材料应用大电流电磁脉冲。在本文中，会在材料内部产生涡流，导致材料本身发热。任何缺陷的存在都会扭曲涡流的传播，导致材料温度的变化，这种变化可以用热像仪加以强调。经过涡流加热阶段后，碳纤维布在冷却阶段的非均匀性也影响了热量的扩散。因此，感应加热在加热相和感应加热在冷却相的扩散的混合现象和它们的具体行为对于定量的非均质性的无损评价是有用的。基于纽卡斯尔和巴斯与劳斯莱斯和阿尔斯通合作的最新发展[19[摘要]，南京航空航天大学研制了一种新型的低成本便携式pecs刺激热成像系统，用于评估风力或航空航天工业中使用的复合材料和金属物体，特别是复合材料中的分层。在以前的研究中，用pecs刺激的热像仪检查金属零件[20.- - - - - -22］.用有限元模型研究了不同穿透深度的裂纹周围的温度分布[21并与金属材料的实验测量结果进行了比较。结果表明，在大穿透深度的非磁性材料中，裂纹表面边缘温度较低，裂纹底部温度较高;源自[23]，并通过数值模拟和实验，将pecs刺激热像仪从金属零件表面裂纹的检测扩展到CFRP复合材料表面不连续的检测。然而，复合材料中其他类型的缺陷却很少被研究。Ramdane等人[24]使用感应加热热像仪检测插入分层。实验研究采用透射模式进行(感应器和红外摄像机在样品的不同侧面)，这通常不适用于现场检测。而且，检查时间为80秒左右。

在本文中，使用pecs -受激热像仪在反射模式下(电感器和红外摄像机在样品的同一侧)研究了CFRP复合材料中的分层现象，旨在显著减少检测周期。此外，还与其他广泛使用的方法如超声和闪光热像进行了比较。论文的其余部分组织如下。部分2介绍待测样品;节3.，阐述了四种实验系统:pec刺激热像仪、闪光热像仪、UT/EC扫描系统;节4，报告了使用个别系统的实验结果并进行了比较。部分5对工作进行总结，并对今后的工作进行展望。

2.样品制备

使用20层CFRP样品(CYCOM970/T300)。样品尺寸为180 × 140 × 3.1 mm^3.．人造分层是通过在两个纤维层之间插入两层聚四氟乙烯薄膜(每层厚度为0.1毫米)来制造的。脱层的直径D分别为6mm、10mm、15mm，分别在1 -2层、2 -3层、5 -6层、6 -7层、9 -10层、10 -11层的界面处产生脱层。

图中显示了带有分层的示例布局1．3种不同直径和6种不同深度的分层(155μ米、310μ米、775μ米、930μ米、1395μ米,1550μM，代表)，生产三个样品。样品1-3由北京航空材料研究院制造。

3.实验系统

为了研究具有人为分层的CFRP样品，南京航空航天大学使用了四套实验系统，即pecs刺激热像仪、闪光热像仪、UT和EC扫描系统。

3．1.PEC-Stimulated温度记录系统

数字2(一个)显示peco刺激热成像系统设置。南京航空航天大学采用无锡高品科技有限公司HB-X5K高频加热器，工作头连接线圈，用于脉冲涡流激励。该加热器提供最大2千瓦输出在320千赫。空心铜的直径为2.08 mm，圆形线圈的外径约为50 mm。Flir ThermaCAM S65用于记录热图像和视频。红外相机的最大全帧速率为50赫兹，每20毫秒提供1帧。与纽卡斯尔-巴斯大学建立的系统相比，南京航空航天大学使用的低端红外相机帧率从之前的383赫兹降低到50赫兹，电池和热视频存储卡。希望该系统能够适用于海上检测。因此，在没有线圈水冷系统的情况下，为了避免线圈过热影响结果，需要对一次检查的记录周期进行调查。

3．2．Flash温度记录系统

热源采用输出功率为1kw的闪光灯。采用开关控制单元控制从灯开始的加热时间，如图所示2 (b)．Flir ThermaCAM S65用于记录热图像和视频。

3．3.超声波和涡流扫描系统

在南京航空航天大学使用RD技术OMNISCAN MX对样品进行超声和涡流扫描。可用于相控阵采集模块进行UT扫描，涡流阵采集模块进行EC扫描。该超声波探头，RD技术公司SA1-N45S(在30 mm × 30 mm范围内的4 × 4传感器阵列)，工作频率为5 MHz。探头的折射角度为45°，可以用横波检测30°到70°的角束。样品中的声速约为3100 m/s;EC阵列探头，RD技术SAA-056-005-016用于EC扫描。EC探头由8 × 2线圈阵列组成，工作频率从1 kHz到25 kHz，空间分辨率为3.5 mm。UT和EC扫描系统如图所示2 (c)和2 (d),分别。

4.实验结果

4．1.PEC-Stimulated温度记录结果

当最大输出功率为2kw时，加热时间为1秒，冷却时间为2秒。对样品1、2和3中直径15 mm的分层进行了研究。分层在155μ米和310μ图中可以看到m深的黑圈3(一个)．在图3 (b)， 775分的分层μ米和930μ在线圈的左下方和右下方分别观察到M深。分层在1395μ米和1550μ样本3中的M深度在原始热图像/视频中没有观察到。

由于平行于层间的涡流与层间的相互作用很小，因此层间分层对涡流分布的影响不大，这对于本节报道的EC扫描系统来说不够灵敏4．4．热主要产生在0°和−45°(方向定义如图所示)3 (d)通过电感器产生的涡流，它们在这两个方向传播)。由于沿纤维取向的电导率和导热率最大，可以知道第1层和第2层的纤维取向为−45°和0°。分层作为一种热障，主要阻碍热在0°和−45°方向的传播，导致分层边缘上有一个热点，分层区域上有一个冷点。比较本节讨论的涡流扫描结果4．4，可以看到热扩散是分层产生热的主要原因，使用pecs刺激热成像，使我们可以通过这些热图像提前检测纤维断裂。此外，沿每一层纤维的热扩散采用pecs热成像技术进行评估。

在图4，显示了不同加热或冷却阶段的热图像。在开始加热(0.2 s)时，边缘155μM深分层在左下角的线圈是突出，而310μ右下角看不到深层分层(图)4(a))。随着加热时间的增加，分层与声区之间的对比增大μ可以注意到深度分层(图4(b))。直到最大加热(1 s)时，分层与声区对比最大(图)4(c))。之后，冷却阶段的热扩散使图像模糊(图4(d)和4(e))。在图4时，可以较早观察到较浅的分层现象，温度对比较大。通过视频序列可以很容易地看到不同的层结构和纤维取向，这与下面使用闪光热像仪进行表面检查的结果形成了对比。

4．2．Flash温度记录结果

样品1、2和3的闪光热成像温度图像如图所示5(一个)- - - - - -5 (c)，分别经过5秒的加热。从这些结果来看，在样本1和2中都观察到了分层，但在样本3中没有。由于表面加热的闪光热像，热传播从表面到背面。分层，作为热屏障，阻止热扩散，并将热反射回表面，这导致在分层处的温度高于在无缺陷区域。因此，闪光热像仪在深度方向上提供热扩散信息，而不是使用pecs刺激热像仪在每层纤维方向上提供热扩散信息。

4．3．超声波扫描结果

图中显示了每个直径为15 mm、深度不同的分层层反射的超声信号和c扫描图像6．探头的折射角度为45°，可以用横波检测30°到70°的角束。在图6(一)时，在无缺陷区域可以观察到许多反射，这是由碳纤维复合材料的多层结构引起的。通过超声信号的高反射振幅识别出分层现象，并在分层与碳纤维复合材料界面图像中显示为红色区域，如图所示6 (b)- - - - - -6 (g)．由于薄层结构，UT不能提供准确的深度信息:检测到的分层深度与实际值不符，如图所示6 (h)．此外，分层的测量直径在不同的深度或位置不同，这导致对分层尺寸和位置的指示不准确。实验表明，UT对复合材料的局限性在于:(1)复合材料中存在多次反射和散射;(2)穿透和散射损失大;(3)薄样品测量不准确;(4)需要接触和液体联轴器。

为了更好地显示缺陷，使用相控阵的导波c扫描可以减少多次反射和散射，从而实现精确的深度测量。但扫描时间和数据量明显增加，不能满足在线监测或结构健康监测的要求。

4．4.涡流扫描结果

样品1的涡流扫描图像如图所示7．EC探头由8 × 2线圈阵列组成，工作频率从1 kHz到25 kHz，空间分辨率为3.5 mm。在样品上未观察到明显的分层。结果表明，EC扫描系统的灵敏度不足以检测低电导率复合材料分层处的涡流。

4．5.比较和讨论

(1)检测深度的检测能力
从实验结果来看，超声波扫描检测出了所有试样的分层现象;pecc刺激热像仪和闪光热像仪仅检测到样品1和2的分层，而EC扫描没有检测到分层。因此，在四种方法中，UT扫描的检测能力最好。

(2)纤维取向
pecc刺激热成像可以用来通过热图像观察纤维的取向。样品表面的高亮线表示表层和次表层的纤维。UT扫描和闪光热像都不能显示纤维取向。

(3)缺陷可视化
pecc刺激热像仪和闪光热像仪可以很好地显示缺陷，让我们知道它的形状和尺寸(厚度除外)。虽然UT扫描也可以通过一种重建算法来提供成像，但它非常耗时，而且图像会受到超声波大量衰减、多次反射和散射的影响。

(4)检验时间和成本
pecc刺激热像仪和闪光热像仪可以在第二级范围内观察缺陷，而UT扫描需要几分钟或几小时的大量数据。这两种方法都能满足在线监测或结构健康监测的要求。此外，UT扫描系统和探头本身的成本远高于pecs刺激热像仪或闪光热像仪。

表中总结了这四种方法的比较1．

5.结论与未来工作

在本文中，155处样品1和样品2的人为分层μ米、310μ米、775μ米,930μ在NUAA系统上，通过新开发的peco -stimulated热像仪观测到了m的深度。然而，更深的分层在样本3 (1395μ米和1550μM深)，从原始热视频中无法清楚地看到。在南京航空航天大学也进行了UT/EC扫描和闪光热成像以作比较。结果表明(1)仅能使pecs刺激的热像仪观察表面和次表层的纤维取向，为微小缺陷(例如纤维断裂)的检测提供了可能;(2)虽然pecs刺激热像仪和闪光热像仪没有检测到深度超过930的分层μM，他们提供快速检查和更好的分层可视化瞬态热图像/视频。

UT实验表明，这种方法对于复合材料的局限性，由于(1)复合材料中的多次反射和散射，(2)对薄样品的测量不准确，(3)需要液体耦合。pecc刺激热像仪和闪光热像仪是两种有效的分层检测方法。对于复合材料中的纤维取向评估和其他典型缺陷，例如冲击损伤、裂纹，pecs刺激热像仪对这些缺陷，特别是裂纹更为敏感[23］.因此，使用低规格摄像机的pecs刺激热像仪已经被证明是CFRP分层检测的一个很好的候选对象，其中评估了热导率和电导率。不同的缺陷可以在未来使用pecs刺激热成像系统评估。

在未来的工作中，将研究更强大的激励来检测更深层次的分层:脉宽、电感几何形状和peco刺激热成像的方向，以检测更深层次的分层。进一步考虑和发展增强分层收缩的后图像/视频处理，包括去除激励线圈和热成像图像/视频背景中的直接加热，以及瞬态图像响应和模式的特征提取。

致谢

本研究由英国工程与物理科学研究理事会(EPSRC) (EP/F06151X/1)和FP7 HEMOW项目(FP7- people -2010- irses, 269202)资助。作者感谢中国南京航空航天大学田玉鹏教授和王平副教授的有益讨论，感谢中国南京航空航天大学石震先生在UT/EC扫描实验上的帮助。此外，作者还感谢中国北京航空材料研究院为实验提供的样品。

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