体育用品复合材料的无损检测技术

体育用品复合材料的超声无损检测技术

泰山体育产业集团有限公司国家体育用品工程技术研究中心孟庆华李川张瑞林

摘要：随着经济的发展，人们生活水平不断提高，健康成为人们关注的焦点，健身成了大

多数人的选择，而现代竞技体育的发展在对体育器材的改进与研究提出了更高的要求。复

合材料运用到体育用品中的比例越来越大，将复合材料运用到体育用品中成为21世纪体育

用品的一大趋势。由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，极易

产生缺陷，由于超声波检测具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害

等优点。超声无损检测对于体育用品复合材料的技术与研究及应用有着积极的作用。

关键词：复合材料；超声波；超声无损检测

1 引言

1.1 体育用品复合材料特点与应用

复合材料是一种多相材料，由两种或多种性质不同的材料组成，其主要组分是增强材料和基体材料，基本的结构形式是层压件和缠绕件。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。在体育赛事越来越受瞩目的今天，人们期望通过装备器材的升级带动运动员挑战极限。为此，体育用品制造商在优化装备和器材设计的基础上，积极采用各种创新材料，其中碳纤维复合材料最受青睐。全球碳纤维市值在过去5年中一直以两位数的速度增长，预计至2014年，产值有望达到24亿美元。不过，体育用品和休闲设备在2007到2014年间的年均增长率将保持在3％左右。实践证明，很多体育用品改用复合材料制造后，大大地改善了其使用性能，使运动员创造出好成绩，如碳纤维自行车、全碳滑雪板、碳纤维网球拍、碳纤维高尔夫球杆、赛车碳纤维底盘等。

1.2 复合材料的超声检测

由于复合材料的非均质性和各项异性，在制造过程中工艺不稳定，极易产生缺陷，复合材料在制造过程中的主要缺陷有: 气孔、分层、疏松、越层裂纹、界面分离、夹杂、树脂固化不良、钻孔损伤等。由于超声波检测具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点，在复合材料的无损检测中，超声检测技术是应用最广泛的方法，它主要利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷。超声波不但能检测分层、气孔、裂纹、夹杂等缺陷，而且在判别疏松、密度差别、弹性模量、厚度等材料特性和几何形状的变化方面也具一定作用。因此，超声检测技术对评定复合材料制件的质量具有良好的实用价值。

2 超声检测技术

2.1 超声波波型

根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波型，超声检测应用的波型有纵波、横波、表面波（瑞利波）和兰姆波，在复合材料的超声检测中，通常应用的超声波波型为纵波。

2.2检测技术分类

超声检测技术分类的方式有多种，按原理分类，较常用的有脉冲反射法和穿透法。

2.2.1 脉冲反射法

脉冲反射法是由超声波探头发射脉冲纵波到试件内部，通过观察来自内部缺陷或试件底面的反射波的情况来对试件进行检测的方法。

超声波在复合材料内部传播过程中遇到材料内部缺陷时，由于缺陷的声阻抗与材料的声阻抗不同，超声波在缺陷处被反射（或散射)，而出现缺陷波信号，根据超声反射信号幅度，可检测材料内部缺陷。此法能够检测出复合材料中的裂纹、脱粘、孔隙、分层等缺陷，但存在检测盲区。

2.2.2 穿透法

超声波在复合材料的传播过程中，由于超声波在缺陷处被反射或散射，会造成超声穿透信号的能量衰减，根据超声穿透信号幅度变化来检测材料的内部缺陷。这种方法对复合材料中贫胶、疏松

等缺陷的检测效果良好。

穿透法通常采用两个探头，分别放置在试件两侧，一个将脉冲波发射到试件中，另一个接收穿透试件后的脉冲信号，依据脉冲波穿透试件后能量的变化来判断内部缺陷的情况。

当材料均匀完好时，穿透波幅度高且稳定；当材料中存在一定尺寸的缺陷或存在材质的剧烈变化时，由于缺陷遮挡了一部分穿透声能，或材质引起声能衰减，可使穿透波幅度明显下降甚至消失。很明显，这种方法无法得知缺陷深度的信息，对于缺陷尺寸的判断也是十分粗略的。

2.3 脉冲反射法与穿透法的特点比较

对于复合材料，比较常用的是脉冲反射法，相对于穿透法而言，脉冲反射法具有明显的优点：检测灵敏度高脉冲反射法根据缺陷脉冲的出现，判断缺陷的存在，只要小缺陷信号能够引起明显高于噪声的回波，就可以通过提高增益，将信号放大到显示屏一定的高度，很容易观察并记录。目前常规超声检测所采用的25MHz以下的检测频率，按波长的二分之一计算，已可检测120 m的缺陷。而穿透法显示缺陷利用的是缺陷处穿透波的降低量，当缺陷尺寸相对于探头声束直径较小时，引起的穿透波变化的分贝数是很小的，而且，这种变化不能够通过提高增益将其放大，因此往往不容易被发现。当缺陷尺寸很小时，由于衍射的原因，小缺陷不能引起穿透波的变化。

可对缺陷精确定位利用传播时间与距离的线性关系，通过扫描时间基线的精确定标，由脉冲波在时间基线上的位置可进行缺陷的精确定位。穿透法不能得到缺陷深度信息。

操作方便只需单面接近试件进行扫查，可采用手动检测。穿透法需将一收一发两个探头准确对中，手动法难以操作，对设备的要求较高。

适用范围广适用于各种形状的试件。穿透法要求试件在一定范围内具有接近平行的两相对面。

3 复合材料超声检测的波形分析

采用纵波脉冲反射法检测复合材料时，可以通过观察缺陷反射波和底波的波形，来判断材料中的缺陷类型。在层压板中，分层、夹杂等缺陷呈平面性分布，孔隙率、密集气孔、疏松等缺陷呈体积性分布。

3.1 面积性缺陷的检测

层压板中的分层、夹杂等面积性缺陷分布于纤维铺层之间，其取向与铺层面平行。检测时，根据缺陷波位置和幅度、多次缺陷反射波和底波的情况判断分层、夹杂缺陷。分层、夹杂缺陷波是出现在底波之前，其位置与缺陷埋藏深度对应。

分层缺陷的内含物是气体，其声阻抗远小于复合材料，当超声波垂直入射到分层缺陷上时，在分层界面处超声波几乎全反射。因此，分层缺陷的波形特征是反射波幅度较高，在时基线上的位置以及多次反射波之间的距离是与缺陷的埋藏深度对应的。当分层缺陷的尺寸小于探头的声束直径时，缺陷越大，缺陷波幅度越高，底波幅度就越低；当缺陷尺寸大于探头的声束直径时，底波消失，只显示缺陷的多次反射波。

3.2 体积性缺陷的检测

层压板中，孔隙率、密集气孔、疏松等空隙类缺陷分布于一定的体积范围内。采用脉冲反射法检测空隙类的体积性缺陷，根据底波幅度降低和杂波的波形特征来判断缺陷。检测时，在空隙类缺陷的范围内，可观察到底波幅度有明显的下降，同时随着探头的移动，或可见到起伏变化、位置不定的杂波信号。杂波的幅度与空隙尺寸的大小相关，其中疏松、密集气孔的空隙尺寸较大，其回波的波幅相应也大，而孔隙率缺陷的空隙尺寸微小，其回波的波幅很小，甚至见不到缺陷的反射波。

3.3 检测波形分析

在复合材料的脉冲反射法检测中，是根据检测波形的特征判断材料的质量情况。复合材料层压板中常见的缺陷为分层和疏松，两者的波形显示是不同的。例如，在厚度为2mm的层压板中，在没有缺陷的部位，超声检测时显示的波形只有位于“0”位的延迟探头界面波和位于2mm处的底波，见图3-1。当层压板中存在分层缺陷时，在与分层埋藏深度对应的时基线位置上会出现分层缺陷回波，而在2mm处的底波消失，如图3-2。当材料中存在疏松缺陷时，超声波的传播能量会衰减，因而在到达底面的回波幅度会明显下降，在底波之前也会伴随着很多杂波，如图3-3。