前言

       簡單的夾層結構由三部分組成：面板，芯材和膠接，通過膠接在前面兩個組分之間傳遞載荷。夾層結構能夠達到的作用是通過讓輕質、有一定厚度的芯材承受剪應力，同時將兩個相對比較堅韌、薄的承載面板隔開。

圖1，相同面板材料夾層結構的機理


圖2，ROHACELL泡沫結構

對于面板，主要考慮的是材料的強度和剛度，但是對于芯材，主要目的是為了最大幅度的減輕重量。在飛機結構中，芯材通常使用鋁蜂窩、泡沫或NOMEX®蜂窩。鋁蜂窩或NOMEX®蜂窩，具有壓縮模量高，重量輕的優點，是航空領域廣泛使用夾芯材料，通常與碳/玻璃纖維預浸料一起使用。這里主要討論泡沫芯材夾層結構的無損檢測。在先進復合材料領域，最常用的夾層結構的芯材是PMI泡沫，ROHACELL®是贏創德固賽公司生產的PMI泡沫，參見圖2。泡沫芯材夾層結構常用在機翼前緣和方向舵，起落架艙門，翼身/翼尖整流罩等。

 和蜂窩夾層結構相似，泡沫復合材料常見的缺陷有：

        1. 復合材料面板的缺陷，例如劃傷、裂紋、氣孔，夾雜等

       2. 復合材料面板和泡沫芯材的粘接缺陷，例如脫粘

       3. 泡沫芯的損壞

針對這些缺陷, 相應地發展起了多種無損檢測方法。不過, 泡沫夾層結構一般面板的檢測面積大、厚度薄, 而且呈現低的導熱性和導電性、泡沫材料的聲衰減較大，所以, 其與一般復合材料的無損檢測具有明顯差別。目前，適用于PMI泡沫夾芯結構的無損檢測方法主要有超聲無損檢測和激光錯位散斑干涉無損檢測^[1,2] 。

一、空氣耦合超聲無損檢測^[4,5]

       復合材料最常用的無損檢測方法是超聲檢測。測量出的超聲參數包含大量復合材料質量的相關信息。通常，用超聲方法可以檢測復合材料結構中的分層、夾雜、樹脂疏松與裂紋、氣孔等。波的參數，包括聲衰減和速度，可以用來確定材料的性能，例如孔隙率、剛度等，如果已知密度，可以得到材料的剛度。材料的聲阻抗，其中是材料的密度，是材料中聲音傳播的速度。

    聲強反射率R， ，R是界面上的反射波的聲強I_Y與入射波的聲強I₀的比值.

表1、材料的超聲反射特性

為使超聲波以常用的壓電轉換器為聲源進入試件，一般需用耦合劑，耦合劑的作用是讓超聲有效地傳入工件。由于空氣和一般的復合材料或者金屬工件的聲特性阻抗有很大的不同，參見表1。這導致大部分聲能在界面處被反射，只有很少的一部分能進入工件，從而使空氣耦合檢測的范圍收到了極大的限制，一般只能進行外部檢測，如距離測量等。用于內部檢測時則僅限于低密度材料，由于這些材料的聲特性阻抗較低，例如ROHACELL® PMI HP60泡沫聲阻抗是7005 g/cm2s，因此超聲的透射系數比較大。空氣耦合超聲檢測通常采用的頻率范圍是（25－250）kHz，也可以擴展到500kHz-2.25MHz。另外有些檢測件，不宜與水接觸，例如蜂窩夾層結構，這時也選擇空氣作為耦合劑來進行超聲檢測。

 芯材的表面粗糙度對聲耦合有明顯的影響。對于同一耦合劑，如果工件的表面粗糙度高，則耦合效果差，反射回波低。聲阻抗低的耦合劑，例如空氣耦合，隨粗糙度的升高，耦合效果降低得更快。在泡沫夾層結構復合材料中，泡沫孔隙的大小對超聲回波的質量有所影響。ROHACELL泡沫的直徑如表2和圖4所示。孔隙的直徑越小，超聲回波的質量越好。

圖3，泡沫芯材和纖維樹脂復合材料的界面


表2，PMI泡沫孔隙直徑范圍


ROHACELL^® WF


ROHACELL^® RIST


ROHACELL^® RIMA
圖4. 不同ROHACELL泡沫的SEM照片

對泡沫夾層結構的檢測，在利用空氣耦合超聲檢測穿透法進行檢測時，采用高聲壓值補償損失和低的頻率的影響，通常取50kHz，有些情況下100 kHz。如圖5所示，采用兩個探頭，一個用于發射，一個用于接受，分置在工件兩側進行探測，依據脈沖波或者連續波穿透工件以后的能量變化來判定缺陷的情況。

圖5 空氣耦合超聲穿透法無損檢測原理




圖6 泡沫夾芯殼結構的空氣耦合超聲檢測

如圖6所示，對經過沖擊試驗的泡沫芯材夾層殼結構，利用空氣耦合超聲進行檢測。從C掃描圖上可以明顯看出長桁脫粘。

德固賽公司曾委托美國QMI公司對預制缺陷的ROHACELL®泡沫夾層結構板進行空氣耦合超聲檢測[4]。第一階段的試驗，檢測的缺陷試件包括碳纖維面板、鋁面板和芯材之間不同直徑的脫粘情況，以及沒有面板的情況下的兩塊粘接在一起的泡沫之間的脫粘情況。針對不同的頻率、探頭布置方式，利用C顯示，可以檢測出碳纖維面板和泡沫芯材之間1/16 inch－3/4 inch直徑的脫粘缺陷；能夠檢測出鋁面板和泡沫芯材之間的脫粘以及泡沫之間的粘接脫粘缺陷。

第二階段的測試件的芯材為兩塊50mm厚的ROHACELL® 51WF泡沫膠粘在一起，如圖7所示，試件上預制了各種缺陷。因為泡沫材料本身的不均勻性，泡沫孔壁和孔隙之間界面的存在，造成了泡沫材料本身含有聲阻抗急劇變化的界面，所以導致了很大的散射衰減。在225kHz和400kHz頻率下的超聲檢測試驗均告失敗，信號全部衰減。QMI公司采用超聲頻率為120kHz，合適的探頭布置，QMI公司得到的C掃描圖像如圖8所示。

圖7，預制缺陷的泡沫芯材夾層板試件


圖8，預制缺陷的泡沫芯材夾層板的超聲空氣耦合C掃描圖像

這里，缺陷的預定義方式，采用的是通常水耦合超聲的途徑，即剝離膜。這本身很難被空氣耦合超聲檢測。如果采用正確的方式預定義缺陷樣件，空氣耦合超聲無損檢測適用于PMI泡沫夾層結構。

二、脈沖回波超聲無損檢測

圖9 通過超聲回波間隔確定缺陷位置

這里所說的脈沖回波法通常是采用水作為耦合劑。脈沖反射法是通過測量待測結構的缺陷處和背面反射的能量來判斷的。脈沖超聲波入射到被測工件, 有一部分被反射, 這部分反射波可以被接收; 另一部分穿過工件, 再從工件的底面反射且再次穿過工件, 這部分反射波也可以接收。采用這種方法時,超聲波要兩次穿過工件, 并要檢測反射回來的回波,所以也叫脈沖回波法，如圖9所示。

通過脈沖回波法可以檢測泡沫和面板之間的粘接

       圖10為采用該方法檢測泡沫結構泡沫和面板之間粘接的三種典型情況的示意圖。圖10 (b) 是蒙皮與膠層之間出現脫粘的波形, 這種情況和單板相似。由于蒙皮和空氣界面間聲阻抗變化很大, 因而蒙皮界面有很強的反射能力, 造成入射脈沖信號在板內多次反射, 并維持較長時間, 信號衰減較為緩慢。當膠層和泡沫之間出現脫粘時, 波形如圖10 (c) 所示。此時, 蒙皮與空氣的界面消失了, 代之以較為微弱的聲阻抗變化, 因而大部分脈沖信號能輸入到膠層而消失, 脈沖信號衰減很快, 顯示波形只有少數幾個;當蒙皮與泡沫芯粘接良好時, 波形如圖10(a) 所示,除了出現膠層的阻尼效應以外, 由于聲能傳輸到泡沫, 而又反射回探頭, 所以衰減速度較圖10 (c)緩慢而比圖10 (b) 快。在實際檢驗中, 用標準樣件作對比就可以方便地檢測出缺陷來。

圖10，泡沫夾層結構三種典型情況的波形圖

通過回波強度還可以確定泡沫夾層結構復合材料面板的孔隙率

       對泡沫芯材復合材料夾層結構，復合材料面板的高孔隙率會導致結構剛度和強度的下降，因此在對復合材料結構進行線上質檢時，一定要對其孔隙率進行充分檢測。對于ROHACELL® RIMA / HP泡沫夾層結構，由于這兩種泡沫的孔隙均勻細密，其可以在復合材料脈沖回波超聲無損檢測中可以實現均勻的超聲反射，作為超聲波的均勻反射面來檢測復合材料面板的孔隙率和纖維含量[5]。

三、激光錯位散斑干涉無損檢測^[6]

       激光錯位散斑(Laser Shearography)技術也稱剪切散斑技術，是20世紀80年代興起的用于表面變形測量的新型光學檢測技術。該技術用于無損檢測的原理與激光全息干涉類似，都是通過對待測物體加載，觀察缺陷表面異常變形所產生的異常光學干涉條紋來判斷缺陷特征。與激光全息檢測相比，錯位散斑技術操作方便、檢測效率高。

 Shearography不僅光學干涉裝置比較簡單，而且對剛體運動和機械噪聲不敏感，對系統的隔震要求也不高，Shearography較ESPI更適合于如生產線上的現場檢驗。與非光測技術相比，如C掃描，Shearography是非接觸式的，不需要任何介質，而且速度快，適合于工程結構，特別是大型結構的現場無損檢測，這是C掃描難以做到的。

圖11，激光錯位散斑干涉無損檢測的原理

如圖11所示，用激光對未加載的帶缺陷夾層板表面進行照射，因為夾層板表面的各個點都會在光學傳感器上投影兩次，所以會產生光學干涉現象。如果對帶有內部缺陷的夾層板進行某種形式的加載，則缺陷的存在會使夾層板表面產生微小的變形，此時激光反射得到的干涉圖像與未加載或無缺陷時的干涉圖像不同[6]。從而可以判斷缺陷的存在與否和位置。

德固賽公司曾向美國激光技術公司（LTI）提交了兩塊ROHACELL®泡沫板材進行激光錯位散斑干涉無損檢測，其目的是確定激光錯位散斑干涉檢測對預制板材缺陷的敏感度[7]。德固賽公司在制造板材的過程中預制了各種缺陷，用來確定各種加載方法下激光錯位散斑干涉技術的缺陷檢測能力。 美國激光技術公司則引入各種深度和尺寸的缺陷，來確定檢測敏感度與缺陷深度的關系。提交檢測的兩個試件都帶有預制缺陷，且都是用兩塊53.3mm厚度的ROHACELL®泡沫膠接在一起制成的。

 1號試件的尺寸是400mm×267mm×107mm，上下面板是碳纖維/環氧樹脂預浸料層壓板。一個0.254 mm厚的金屬片被從夾芯板側面壓入到芯材中，并以此來確定激光錯位散斑干涉檢測對不同深度缺陷的敏感度。圖9所示為1號試件的設定缺陷的位置，常見圖12。
 

圖12 德固賽公司激光錯位散斑干涉無損評價的預制缺陷夾芯板試驗


圖13 通過激光錯位散斑干涉方法檢測到的夾層板缺陷

1號試件的試驗結果如圖13所示，激光錯位散斑干涉采用真空加載可以透過53.3mm厚度的泡沫檢測到25.4mm直徑的脫粘；以及面板到芯材12.5mm厚度內設定的各種缺陷。熱加載可以檢測到很多設定的面板缺陷。激光錯位散斑干涉檢測方法無法定位某些脫粘缺陷。

       2號試件的尺寸是400mm×267mm×107mm泡沫板，無上下面板。由于泡沫的穿透性和表面的粗糙性，激光錯位散斑干涉無法用于檢測無面板ROHACELL泡沫（2號試件），但是只要一側有面板，就可以使用該方法進行檢測。

四、結論

       a) 空氣耦合超聲可以用來檢測泡沫夾層結構中面板的缺陷，面板和芯材之間的脫粘以及芯材的缺陷。

       b) 超聲脈沖回波超聲方法可以用來檢測泡沫夾層結構復合材料面板的孔隙率和面板和芯材之間的脫粘。

        c) 激光錯位散斑干涉無損檢測可以檢測泡沫夾層結構的近表面缺陷。相比其它檢測設備，檢測效率高，檢測成本低，對周圍環境沒有嚴格的要求。但是影響檢測結果的因素很多，位錯的大小和方向，加熱的時間，操作人員的經驗等因素都會對結果產生一定的影響。