Page 228 - 《应用声学》2024年第1期

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役性能。因此，必须采用有效的方法准确检测和评
0 引言 估复合材料中各类缺陷。
超声检测技术因其穿透能力强、检测精度高、
复合材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模 设备成本低、结构轻便，被广泛应用于材料缺陷检
量、耐腐蚀等优异性能。常见的典型复合材料有 测。传统接触式检测需要水、油类等耦合剂，但这些
玻璃纤维复合材料、碳纤维增强树脂复合材料、玻 耦合剂会使复合材料构件受潮或变污，甚至会沿缺
璃纤维增强铝合金层板、碳纤维增韧碳化硅陶瓷 陷渗入构件内部，影响构件的机械性能。因此，传统
(C f /SiC) 基复合材料、多层蜂窝夹芯结构复合材料 接触式超声检测不适用于复合材料的检测。空气耦
等。这些复合材料广泛应用于飞机机翼、导弹外壳、 合超声检测是一种以空气作为耦合剂的新型非接
航空发动机壳体等部位 (图 1(a))。同时其夹芯、多 触无损检测方法，具有完全无损、非浸入、高效率、适
孔、蜂窝、轻质的型面组织结构导致其材料属性复 合原位检测等技术优势，适用于检测禁用液体耦合
杂。在制造和服役过程中，复合材料受气泡、振动、 剂的结构件(如蜂窝夹芯材料)、在役部件(如直升机

应力、冲击和撞击等影响，易产生孔隙、分层、夹杂、 尾桁)、多孔材料、吸水材料及溶解材料，尤其适合板
基体裂纹、基体脱粘、纤维曲屈、纤维断裂等多种类 类工件的大面积快速无损检测，在复合材料缺陷的
型的缺陷 (图 1(b))，影响复合材料的力学性能和服 检测方面具有良好应用前景。

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图 1 复合材料的应用及复合材料中常见缺陷
Fig. 1 Application of composite materials and common defects in composite materials
本文结合空气耦合超声检测的研究热点，从技 纤维弯曲、蜂窝夹芯结构脱粘等缺陷的检测。
术应用现状，换能器类型，信号处理技术，相控聚焦 Bustamante 等 [5] 采用点聚焦式压电空气耦合
式空气耦合超声检测、超声在复合材料的传播特性 传感器对铝、碳纤维复合材料板和环氧树脂板中人
及其与缺陷交互作用的研究现状，检测仪器发展现 工缺陷进行了 C 扫检测，成功地识别出 1∼2 mm 直
状，概述了空气耦合超声检测的研究现状和发展动 径范围的孔缺陷。Dobie 等 [6] 采用点聚焦式空气耦
态，最后展望了空气耦合超声检测的发展趋势和应 合超声换能器产生聚焦横波，实现对厚层压板中的
用前景。 分层和脱粘两种缺陷的成像检测。Zhang等 [7] 采用

一种精确且快速的波数成像算法，实现玻璃-碳纤维
1 国内外研究现状及发展动态
增强复合材料板离面方向上较小角度偏差的纤维
1.1 空气耦合超声检测技术应用研究现状 波纹度成像检测。常俊杰等 [8] 采用空气耦合 Lamb
如图 2 所示，空气耦合超声检测技术由于其非 波技术对复合材料夹芯结构蒙皮与蜂窝芯的脱粘
接触式、空气作为耦合剂的优势，用于复合材料在 缺陷进行了检测。由此可见空气耦合超声能够较好
位检测 (如热固性树脂固化过程检测)，制造过程在 地识别复合材料中的各类缺陷，但是空气耦合检测
线质量控制，弹性常数测量，以及孔隙、分层、脱粘、 技术和核心设备的开发还有待进一步完善。