文档介绍：PMI泡沫复合材料夹层结构的无损检测方法摘要:本文主要讲述了目前适用于PMI泡沫夹层结构的各种无损检测方法。回顾了泡沫夹层结构常用的无损检测方法:空气耦合超声方法、脉冲回波超声方法以及激光错位散斑干涉方法。针对不同的缺陷形式,对比了无损检测的效果。关键字:PMI泡沫夹层结构,空气耦合超声无损检测,脉冲回波,激光错位散斑干涉,无损检测前言    简单的夹层结构由三部分组成:面板,芯材和胶接,通过胶接在前面两个组分之间传递载荷。夹层结构能够达到的作用是通过让轻质、有一定厚度的芯材承受剪应力,同时将两个相对比较坚韧、薄的承载面板隔开。图1,相同面板材料夹层结构的机理图2,ROHACELL泡沫结构    对于面板,主要考虑的是材料的强度和刚度,但是对于芯材,主要目的是为了最大幅度的减轻重量。在飞机结构中,芯材通常使用铝蜂窝、泡沫或NOMEX®蜂窝。铝蜂窝或NOMEX®蜂窝,具有压缩模量高,重量轻的优点,是航空领域广泛使用夹芯材料,通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用。这里主要讨论泡沫芯材夹层结构的无损检测。在先进复合材料领域,最常用的夹层结构的芯材是PMI泡沫,ROHACELL®是赢创德固赛公司生产的PMI泡沫,参见图2。泡沫芯材夹层结构常用在机翼前缘和方向舵,起落架舱门,翼身/翼尖整流罩等。    和蜂窝夹层结构相似,泡沫复合材料常见的缺陷有:    1. 复合材料面板的缺陷,例如划伤、裂纹、气孔,夹杂等    2. 复合材料面板和泡沫芯材的粘接缺陷,例如脱粘    3. 泡沫芯的损坏    针对这些缺陷,相应地发展起了多种无损检测方法。不过,泡沫夹层结构一般面板的检测面积大、厚度薄,而且呈现低的导热性和导电性、泡沫材料的声衰减较大,所以,其与一般复合材料的无损检测具有明显差别。目前,适用于PMI泡沫夹芯结构的无损检测方法主要有超声无损检测和激光错位散斑干涉无损检测[1,2]。一、空气耦合超声无损检测[4,5]   复合材料最常用的无损检测方法是超声检测。测量出的超声参数包含大量复合材料质量的相关信息。通常,用超声方法可以检测复合材料结构中的分层、夹杂、树脂疏松与裂纹、气孔等。波的参数,包括声衰减和速度,可以用来确定材料的性能,例如孔隙率、刚度等,如果已知密度,可以得到材料的刚度。材料的声阻抗,其中是材料的密度,是材料中声音传播的速度。    声强反射率R,,、材料的超声反射特性    为使超声波以常用的压电转换器为声源进入试件,一般需用耦合剂,耦合剂的作用是让超声有效地传入工件。由于空气和一般的复合材料或者金属工件的声特性阻抗有很大的不同,参见表1。这导致大部分声能在界面处被反射,只有很少的一部分能进入工件,从而使空气耦合检测的范围收到了极大的限制,一般只能进行外部检测,如距离测量等。用于内部检测时则仅限于低密度材料,由于这些材料的声特性阻抗较低,例如ROHACELL®PMIHP60泡沫声阻抗是7005g/cm2s,因此超声的透射系数比较大。空气耦合超声检测通常采用的频率范围是(25-250)kHz,也可以扩展到500kHz-。另外有些检测件,不宜与水接触,例如蜂窝夹层结构,这时也选择空气作为耦合剂来进行超声检测。    芯材的表面粗糙度对声耦合有明显的影响。对于同一耦合剂,如果工件的表面粗糙度高,则耦合效果差,反射回波低。声阻抗低的耦合剂,例如空气耦合,随粗糙度的升高,耦合效果降低得更快。在泡沫夹层结构复合材料中,泡沫孔隙的大小对超声回波的质量有所影响。ROHACELL泡沫的直径如表2和图4所示。孔隙的直径越小,超声回波的质量越好。图3,泡沫芯材和纤维树脂复合材料的界面表2,PMI泡沫孔隙直径范围ROHACELL®WFROHACELL®RISTROHACELL®    对泡沫夹层结构的检测,在利用空气耦合超声检测穿透法进行检测时,采用高声压值补偿损失和低的频率的影响,通常取50kHz,有些情况下100kHz。如图5所示,采用两个探头,一个用于发射,一个用于接受,分置在工件两侧进行探测,依据脉冲波或者连续波穿透工件以后的能量变化来判定缺陷的情况。图5空气耦合超声穿透法无损检测原理图6泡沫夹芯壳结构的空气耦合超声检测    如图6所示,对经过冲击试验的泡沫芯材夹层壳结构,利用空气耦合超声进行检测。从C扫描图上可以明显看出长桁脱粘。    德固赛公司曾委托美国QMI公司对预制缺陷的ROHACELL®泡沫夹层结构板进行空气耦合超声检测[4]。第一阶段的试验,检测的缺陷试件包括碳纤维面板、铝面板和芯材之间不同直径的脱粘情况,以及没有面板的情况下的两块粘接在一起的泡沫之间的脱粘情况。针对不同的频率、探头布置方式,利用C显示,