复合材料超声检测技术概述及应用

复合材料超声检测技术概述及应用

摘要：随着我国航空航天技术的快速发展，各种复合材料应用越来越广泛。

迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右，新一代战斗机将

达到40%；直升机和小型飞机复合材料用量将达到70%～80%左右，甚至出现全复

合材料飞机。复合材料及其构件开发与应用的迅速发展，对无损检测技术提出了

严峻的挑战。经过不断的研究、开发和完善，目前超声检测已成为最主要和成熟

的复合材料无损检测方法之一。

关键词：复合材料；超声检测技术；应用

前言

由于复合材料结构多种多样，要求也不尽相同，仅仅利用超声检测方法还难

以胜任其质量的检测与评定，实际检测工作中往往需要针对不同检测对象和要求，采用不同的检测技术和方法。

1复合材料制品超声检测方法

1.1超声C扫描检测技术

超声探头接收到的脉冲回波具有不同的图像显示方式，常见的有A型显示、

B型显示和C型显示。A型显示是基础，其他两种显示方式均由A型显示的数据

重建得到。其中，C型显示是一种在一定深度探测的显示方式，图像上的纵、横

坐标分别表示探头在被检体表面上的纵、横坐标，所以C型显示的结果是与扫描

平面平行的一幅截面图像，并作为最常用的显示结果提供给最终用户。超声C扫

描是具有C型显示功能的探伤方法，在宏观缺陷检测中，常用频率为0.5～25MHz

的探头，采用脉冲反射法进行检测。

1.2超声导波检测技术

导波是指由于介质边界的存在而产生的波，在介质尺寸跟声波波长可比的情

况下，介质中的波以反射或折射的形式与边界发生作用并多次来回反射，发生纵

波与横波间的模态转换，形成复杂的干涉，呈现出了多种传播形式，形成各种类

型的导波。导波本质上还是由纵波、横波等基本类型的超声波以各种方式组成的。导波的主要特性包括频散现象、多模式和传播距离远。超声导波检测是一种快速

大范围的初步检测方法，一般只能对缺陷定性，而定量是近似的，对可疑部位仍

需要采用其他检测方法才能作出最终的评估。

1.3空气耦合超声检测技术

传统超声无损检测方法由于需要使用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复

合材料构件的检测，主要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有可能渗入损伤处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。非接触空气耦合超声检测方法是解

决这个问题的可行途径之一。空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非

接触超声检测方法，它可以实现真正的非接触检测，不存在换能器的磨损，可进

行快速扫描。另外，空气耦合超声检测容易实现纵波到横波、板波和瑞利波等的

模式转换，而研究结果表明，在复合材料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的

灵敏度高，空气耦合超声检测的这一优点有利于实现复合材料的检测和材料特性

的表征。

1.4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。

1.5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。

2超声检测在复合材料中的应用

2.1缺陷检测

金属零件内的缺陷超声检测方法同样的适用于复合材料中缺陷评价，对于其

内部的孔状缺陷来说目前主要是利用超声C扫描、相控阵超声检测、超声导波检

测技术等。超声C扫描是超声检测的一种显示方式，它是在A信号的基础上对信

号进行处理，得到的一种垂直于缺陷的显示结果，它具有显示直观，操作简便，

可以对缺陷进行定量分析等优点，而且对孔状缺陷的显示比较清晰。国内有江苏

大学的魏勤利用超声C扫描对SiC颗粒增强铝基复合材料试件进行研究，研究表

明利用该方法能够清晰的检测到材料中的孔状缺陷，并且能够对材料中的团聚现

象有一定的显示。浙江大学将机器人、反求工程、超声信号处理技术与超声C扫

描技术集为一体，实现了对复合材料检测灵敏度实时的补偿，并且这一改进能够

实现对曲面构件的实时检测。除此之外，浙江大学还将仿真检测与实际检测相结合，实现了对超声C扫描一般过程的认识，并且能够准确的检测出复合材料内部

的缺陷。然而超声C检测对于一些缺陷检测精度要求更精确的复合材料来说还是

显得有一定的困难，而实际中对于一个工件的完全检测也并不是一种超声检测方

法能够胜任的，通常对于一个工件的检测常常应用几种超声检测方法，有时也会

应用其他的无损检测手段，比如红外热成像检测方法。相控阵超声检测是超声检

测中比较先进的一种检测手段，近年来，以其偏转、聚焦的优势而广泛的应用在

常规超声检测不能够完成的复杂构件中，而且针对超声相控阵检测还设计了专用

的仿真检测软件，能够在优化实验方案方面节省很大的费用，并且能够更加的清

楚声波的传播以及与缺陷的相互作用，使检测更加的直观。GE科技有限公司利用

相控阵超声检测方法实现了航空件中的T型复合材料以及飞机蒙皮粘接层的检测，利用相控超声探伤仪对它们的内部缺陷成像，并通过B扫描或者S扫描增加了缺

陷的扫查范围，提高了检测效率，和缺陷识别的准确性，并节省了检测成本。中

材科技风电叶片股份有限公司，利用该技术对复合材料样板的无缺陷区域、有缺